Danoiu AlmaNicolae Andreea

FAIMA-Grupa 1521

1

Cuprins

1.Introducere..........................................................................32.Resursele de biomasa............................................................5

2.1. Potential si disponibilitate...................................................53.Conversia biomasei...............................................................9

3.1.Arderea biomasei...............................................................103.1.1.Puterea calorica a biomasei.............................................133.1.2.Probleme ce apar la arderea biomasei in cazane.............153.1.3.Tehnologii de ardere.......................................................163.2.Gazificarea biomasei..........................................................193.3.Piroliza biomasei................................................................203.4.Procese biochimice de conversie a biomasei.....................21

4.Concluzii...........................................................................24

1.Introducere

2

Biomasa este partea biodegradabila a produselor, deseurilor si reziduurilor din agricultura, inclusiv substantele vegetale si animale, silvicultura si industriile conexe, precum si partea biodegradabila a deseurilor industriale si urbane.

Biomasa este considerata una dintre resursele regenerabile de baza ale viitorului ce poate fi folosita la atat la scara mica, cat si mare. Ea contribuie in prezent cu 14% la consumul mondial de energie primara. Pentru 3/4 din populatia globului ce traieste in tarile in curs de dezvoltare, biomasa reprezinta cea mai importanta sursa de energie.

Conform legislatiei Uniunii europene, “biomasa reprezinta fractia biodegradabila a produselor deseurilor si reziduurilor din agricultura (inclusiv substantele vegetale si cele animale), domeniul forestier si industriile conexe acestuia, precum si fractia biodegradabila din deseurile municipale si cele industriale” (fig.1.).

3

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

Toti combustibilii fosili-carbunele, pacura si gazul natural reprezinta o biomasa foarte veche. Dea lungul milioanelor de ani, pamantul a ingropat plantele si le-a transformat in acesti combustibili valorosi.

Dar desi combustibilii fosili contin aceeasi constituenti-hidrogenul si carbonul ca si biomasa proaspata ei nu sunt considerati regenerabili pentru ca ei necesita un timp foarte indelungat ca sa se formeze.

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

Biomasa prezinta multe avantaje ca sursa de energie. Ea poate fi folosita atat pentru producerea de electricitate si caldura, cat si pentru producerea unei game largi de produse: combustibili lichizi pentru transport, combustibili solizi si gazosi si alte produse.

4

Biomasa ca materie prima se prezinta sub diverse forme, care se gasesc din abundenta in toate partile lumii inclusiv Europa.

In ultimii ani s-au dezvoltat tehnologii avansate de conversie a biomasei in combustibili sau de ardere eficienta. De sigur, nu toate resursele de biomasa pot fi folosite in scopuri energetice.

Biomasa reprezinta in acelasi timp o sursa importanta de alimente, cherestea, hartie si cateva chimicale valoroase. Din acest motiv, folosirea in scopuri energetice trebuie integrata cu alte aplicatii prioritare.

2.Resursele de biomasa

Principala sursa de biomasa o reprezinta lemnul. Alaturi de lemn exista o larga varietate de resurse ca:

culturile cu scopuri energetice:1. copaci cu viteza mare de crestere: plopul, salcia, eucaliptul;2. culturile agricole: trestia de zahar, rapita, sfecla de zahar;3. culturi perene: miscanthus;4. plante erbacee cu viteza mare de crestere: Switchgrass sau

Panicum virgatum (o planta perena ce creste in America de Nord), Miscanthus sau iarba elefant (iarba de Uganda).

reziduuri:1. lemnul provenit din toaletarea copacilor si din constructii;2. paiele si tulpinile cerealelor;3. alte reziduuri provenite din prelucrarea unor produse alimentare

(trestia de zahar, ceaiul, cafeaua, nucile, maslinele). deseuri si sub-produse:

1. deseurile de la prelucrarea lemnului: talas, rumegus;2. deseurile de hartie;3. fractia organica din deseurile municipale;4. uleiurile vegetale uzate si grasimile animale.

metanul capturat de la gropile de gunoi, de la statiile de tratare a apelor uzate si din balegar.

Exista un potential mare de biomasa ce poate fi si mai mult marit printr-o utilizare mai buna a resurselor existente si prin cresterea productivitatii culturilor.

2.1. Potential si disponibilitate

In UE, suprafata impadurita acopera 137 milioane hectare, iar suprafata agricola reprezinta 178 milioane ha. Aceste resurse pot oferi, dupa ce se acopera necesarul de

5

hrana si hartie 11% din totalul anual de energie ceruta in UE. Pentru atingerea obiectivelor propuse pentru energia regenerabila pana in 2010 este necesar pe langa exploatarea actualei resurse si stabilirea altora noi.

Noile resurse, sub forma de culturi realizate in scop energetic, pot oferi circa 60% ca biomasa pentru producerea caldurii si electricitatii si 40% ca biocombustibili. Aceasta este posibila printr-un bun management agricol si utilizare a terenului. Folosirea de terenuri improprii agriculturii pentru plantarea de copaci adecvati solului respectiv. Recentele reforme agricole ale UE incurajeaza culturile destinate energeticii prin oferirea de subventii (45 euro/ha), asigurandu-se astfel o suprafata de 1,5 milioane ha. In tabelul 1 sunt prezentate pentru cateva culturi, productiile la ha, iar in tabelul 2 sunt prezentate productiile de reziduuri agricole.

6

Culturile cele mai utilizate in scopuri energetice sunt cele de grau, orz, secara, trestie de zahar, sfecla de zahar, plante leguminoase (lucerna sau trifoi), plante oleagenoase (rapita), plante erbacee (miscanthus, switchgrass). Multe alte specii au fost studiate in ceea ce priveste optimizarea productiei, recoltarea, pastrarea si procesarea. Aceste plante ofera biomasa ce poate fi arsa direct sau supusa transformarilor termochimice sau biologice. Graul, secara, orzul, trestia de zahar si sfecla de zahar sunt in general convertite in etanol. Plantele leguminoase si plante erbaceele pot fi procesate impreuna cu balegarul sau deseurile pentru obtinerea de biogaz. Plantele oleaginoase (ex.floarea soarelui, soia) sunt folosite pentru producerea de biodiesel.

Exista plante care pot fi procesate pentru obtinerea simultana de material celulozic si bioetanol. Astfel de planta este sorgul dulce.

Avantajul celor destinate energeticii consta in faptul ca ele nu necesita cele mai bune terenuri si nici prea multa ingrijire, apa si fertilizatori. Acest lucru se datoreaza faptului ca importanta este cantitatea si nu calitatea.

Reziduurile si sub-produsele agricole sunt cele provenite din prelucrarea lemnului (rumegus, talas, placaj, coaja, lesie rezultata din prelucrarea celulozei) si din recoltarea si procesarea plantelor alimentare (cereale, trestie de zahar, ceai, cafea, orez, bumbac, arborele de cauciuc, palmierul de cocos). Numai 20% din productia de paie poate fi folosita in scopuri energetice, restul de productie utilizata pentru acoperirea nevoilor din sectorul agricol si altele.

O sursa de biomasa care nu a fost exploatata pana acum o reprezinta biomasa marina, formata din plancton si alge. Avand in vedere volumul marilor, aceasta sursa poate constitui o sursa majora de energie pentru viitor.

Deseurile solide municipale rezulta in principal din activitatea domestica din gospodarii. Fiecare cetatean al UE produce in medie mai mult de 500 kg deseuri pe an. Cantitatea totala produsa in UE este de 225 milioane tone pe an. Puterea calorica a fractiei organice din deseurile solide municipale se gaseste in intervalul (8000-12000) kJ/kg, ceea ce inseamna circa o treime din puterea calorica a carbunelui.

In general, deseurile cu putere calorica mare sunt folosite pentru producerea de caldura si electricitate. Pentru asta, deseurile sunt fie incinerate, fie transformate in combustibili solizi, lichizi sau gazosi ce pot fi mai usor de transportat si folositi pentru producerea de caldura si electricitate sau pentru alimentarea autovehiculelor (fig. 3).

7

Fractia biodegradabila poate fi folosita impreuna cu alte deseuri pentru producerea de biogaz prin compostare sau digestie anaeroba. Biogazul poate fi recuperat de la haldele de deseuri sau produs prin fermentatia atat a deseurilor solide municipale dar si a namolului de la statiile de tratare a apelor uzate, a balegarului si a efluentilor din agricultura si industria alimentara. Prin producerea si recuperarea biogazului, care contine in cea mai mare parte metan se realizeaza si reducerea emisiei unuia dintre gazele cu puternic efect de sera. In tabelul 3 este data compozitia masica orientativa a deseurilor solide municipale din UE.

8

3.Conversia biomasei

Exceptand cazurile in care arderea directa este potrivita, biomasa bruta necesita transformarea in combustibili solizi, lichizi sau gazosi care pot fi folositi pentru producerea de caldura, electricitate si drept combustibil pentru autovehicule.

Aceasta conversie se realizeaza prin procese mecanice, termice sau biologice.Procesele mecanice nu sunt strict de transformare deoarece ele nu schimba natura

biomasei. Exemple de astfel de procese sunt: sortarea si compactarea deseurilor, procesarea reziduurilor de lemn in baloti, pelete si brichete, tocarea paielor si cocenilor, presarea semintelor oleaginoase. Astfel de procese sunt folosite pentru pretratarea biomasei.

Arderea, gazificarea si piroliza sunt exemple de procese termice. Ele produc, fie caldura, fie un gaz sau lichid. Gazul poate fi folosit pentru alimentarea unui motor sau a unei pile de combustie. Lichidul poate fi transformat mai departe in combustibili lichizi sau gazosi.

Fermentatia si digestia sunt exemple de procese biologice. Acestea se bazeaza pe activitatea microbiana sau enzimatica de transformare a zaharului in etanol, sau a biomasei in combustibili solizi sau gazosi.

In fig. 4 sunt schematizate principalele directii de conversie a biomasei.

9

Cele mai

folosite tehnologii de transformare a biomasei folosesc caldura.O comparatie intre purtatorii de energie produsi din biomasa poate fi realizata pe

baza abilitatii acestora de a produce caldura, electricitate si combustibili pentru motoare.Un mijloc util de comparare a biomasei si combustibililor fosili se bazeaza pe

rapoartele lor O:C si H:C, cunoscut ca diagrama Van Krevlen (fig. 5). Cu cat sunt mai mici rapoartele respective, cu atat este mai mare continutul de energie al materiei respective.

10

3.1.Arderea biomasei

Arderea este cel mai vechi si utilizat proces. Eficienta de transformare in electricitate este de 20-25%. Biomasa poate fi arsa direct (asa cum este ars lemnul pentru incalzire sau incinerate deseurile) sau arsa simultan cu carbunele (co-ardere).

Cazanele moderne sunt proiectate sa foloseasca co-arderea pentru a reduce emisiile de CO2.

La proiectarea sistemului de ardere se tine seama de caracteristicile combustibilului ce urmeaza sa fie folosit, de legislatia de mediu, costul si performantele echipamentelor disponibile.

In timpul arderii, o particula de biomasa trece prin mai multe faze, mai mult sau mai putin distincte. Mai intai are loc uscarea, pana la temperaturi de 1000C, apoi pe masura ce incalzirea continua, are loc piroliza si/sau gazificarea, urmata de arderea propriu-zisa si lichefierea.

Umiditatea limita a biomasei pentru sustinerea arderii nu trebuie sa depaseasca 60% din masa. Umiditatea este o proprietate a biomasei foarte importanta de care depinde proiectarea instalatiei de ardere si desfasurarea procesului de ardere.

In tabelul 5 sunt prezentate schematizat caracteristicile biocombustibilior masici si efectele lor mai importante.

11

Biomasa este diferita de carbune in ceea ce priveste continutul de materii organice si anorganice, puterea calorica si proprietatile fizice. Fata de carbune, biomasa are in general mai putin carbon, aluminiu si fier si mai mult oxigen, silice si potasiu, are putere calorica mai mica, continut de apa mai mare, densitate mai mica si friabilitate redusa. Arderea biomasei implica modificarea procesului de ardere in orice instalatie, datorita compozitiei biomasei, mai ales continutului de volatile. Puterea calorica a biomasei este mult mai mica decat cea a carbunelui datorita continutului ridicat de umiditate si de oxigen.

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

12

Lemnul este cel mai folosit biocombustibil solid. Materialul brut poate avea urmatoarele forme: busteni, butuci, tulpini, frunze si ace din padure, scoarta, rumegus, surcele si talas din industria lemnului si lemnul recuperat din constructii. Acestea pot fi

13

folosite cand este posibil direct ca un combustibil, sau pot fi procesate in forme mai usor de transportat, stocat si ars cum ar fi: peletele, brichetele si praful de lemn.

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

Peletele sunt produse prin maruntirea rumegusului, aschiilor, surcelelor sau a cojii de copac si presarea prafului obtinut printr-o matrita. Caldura rezultata in urma frecarii este suficienta pentru inmuierea ligninei. Prin racire, lignina devine rigida si leaga materialul. Peletele au forma cilindrica sau sferica cu diametrul mai mic de 25 mm.

Brichetele au forma rectangulara sau cilindrica si sunt obtinute prin presarea impreuna a rumegusului, aschiilor, surcelelor sau a cojii de copac intr-o presa cu piston sau surub. Continutul de energie al peletelor si brichetelor este de circa 17 GJ/tona cu un continut de umiditate de 10% si o densitate de circa 600-700kg/m3.

3.1.1.Puterea calorica a biomasei

Exista multe incercari de corelare a puterii calorifice cu compozitia. Celuloza are o putere calorica mai mica decat a ligninei datorita gradului mare de oxidare. Alti compusi, precum sunt hidrocarburile cu un grad redus de oxidare fac sa creasca puterea calorica a biomasei. Puterea calorica a biomasei este strans legata de continutul de lignina. astfel, puterea calorica superioara pentru o proba uscata si lipsita de cenusa se poate calcula cu relatia [7]:

QS= 88,9 · (LC) + 16.821,8, kJ/kg

unde (LC) reprezinta continutul de lignina raportat la starea uscata si lipsita de cenusa, %.

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

QS= 196 Cf+ 14.119, kJ/kg

In literatura au fost dezvoltate formule de estimare a puterii calorifice pentru combustibilii din diferite materiale ligno-celulozice si uleiurile vegetale pe baza analizei lor chimice. Pentru biocombustibilii solizi se poate folosi formula modificata a lui Dulong, ca functie de continutul de carbon, C (%), hidrogen, H (%), oxigen O (%) si azot, N (%) [7]:

Qs = 33.500 C + 142.300 H - 15.400 O - 14.500 N, kJ/kg

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

14

15

3.1.2.Probleme ce apar la arderea biomasei in cazane

Tehnologiile de ardere a biomasei prezinta cateva probleme. Cele mai importante tin de murdarirea si coroziunea suprafetelor de schimb de caldura.

Zgurificarea si murdarirea reduc schimbul de caldura al suprafetelor si cauzeaza coroziunea. Coroziunea si eroziunea duc la scurtarea duratei de viata a echipamentelor.

Depunerile sau murdarirea suprafetelor este provocata de materia anorganica prezenta in biomasa ce arde. Sodiul, Na si potasiul, K coboara temperatura de topire a cenusii si prin urmare este intensificata depunerea de cenusa pe tevile cazanului.

Calciul, Ca si magneziul, Mg fac sa creasca temperatura de topire a cenusii. Siliciul, Si se poate combina cu K producand silicati cu temperatura redusa de topire in particulele volatile. Acest proces este important pe de-o parte in evitarea sinterizarii/aglomerarii si topirii cenusii pe gratarul de ardere sau in stratul fluidizat instalatiilor de ardere si pe de alta parte in impiedicarea zgurificarii cenusii pe suprafata schimbatoarelor de caldura.Paiele de cereale si iarba au un continut ridicat de K, Cl si sulfati si redus de Ca. Arderea cojilor de migdale este insotita de murdarirea si corodarea puternica a suprafetelor de schimb de caldura. Desi acestea au un continut ridicat de metale alcaline, continutul lor in clor si sulf este redus fata de alti combustibili. Potasiul si sodiul combinate cu clorul si sulful au un rol determinant in mecanismul de corodare. Aceste elemente se evapora in timpul arderii formand cloruri ce se condenseaza pe tevile schimbatoarelor de caldura si reactioneaza formand sulfati si eliberand clorul.

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

Instalatiile de ardere in strat fluidizat circulant sunt potrivite pentru rearderea cenusii, pentru ca ele sunt flexibile la schimbarea combustibilului si produc cenusa fara combustibil nears. Continutul ridicat de carbon nears in cenusa reduce stabilitatea chimica a cenusii si mareste foarte mult volumul cenusii, ceea ce face sa creasca costul de manipulare, transportare si depozitare a cenusii. Pentru a diminua aceste efecte, cenusa trebuie recirculata in vederea rearderii sau trebuie imbunatatit procesul de ardere. Rearderea cenusii duce la reducerea emisiei de NOx cu 20%, dar si la cresterea emisiei de CO la circa 100-140ppm. Cantitatea de cenusa recirculata trebuie sa fie redusa pentru a evita cresterea tendintei de coroziune in cazan.

Beneficiile economice ale instalatiilor de ardere in strat fluidizat circulant se rezuma la costul redus al combustibilului si manipularii cenusii. Cenusa rezultata poate fi reciclata si folosita drept nutrient pentru terenurile impadurite.

In comparatie cu depunerile generate in timpul arderii carbunelui, depunerile rezultate la arderea biocombustibililor sunt mai dense si mai greu de inlaturat.

16

Coroziunea de inalta temperatura a suprafetelor de schimb de caldura se datoreaza prezentei clorului in cenusa depusa. Continutul in clor al cenusii scade brusc cu cresterea continutului in sulf si de aceea la arderea simultana (co-arderea) biomasei cu continut ridicat de Cl si redus de S cu carbune ce contine S rezulta depuneri cu continut redus de Cl, ceea ce faciliteaza controlul N2O.

3.1.3.Tehnologii de ardere

Principalele tipuri de instalatii de ardere a biomasei sunt urmatoarele:

17

Focarele cu gratar, care in general au o putere de 20 MW sunt folosite pentru arderea biomasei cu continut mai mare de umiditate si cenusa si de dimensiuni variabile, dar nu prea mici. Pot fi arse amestecuri de biocombustibili pe baza de lemn dar nu si amestecuri ale acestora cu paiele datorita diferentei dintre caracteristicile de ardere, umiditate si temperatura de topire a cenusii. Arderea se realizeaza in trepte (fig. 7).

Turbulenta in camera primara, de ardere a mangalului, trebuie sa fie mica pentru a asigura un strat cu material incandescent stabil. Turbulenta in camera secundara de ardere trebuie sa fie ridicata pentru a asigura o amestecare corespunzatoare intre gazele combustibile si aerul secundar. Functioneaza bine si la sarcini reduse de pana la 25% prin controlarea aerului primar. Gratarul poate fi racit cu apa.

18

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

reducerea emisiilor de compusi organici volatili; procesul de ardere este continuu si stationar, spre deosebire de arderea

obisnuita, care este nestationara, ciclica determinata de alimentarea cu combustibil;

oprirea alimentarii cu aer face ca arderea sa inceteze spre deosebire de arderea obisnuita, unde dupa intreruperea alimentarii cu aer se continua degajarea volatilelor cu evacuarea lor din camera de ardere;

exploatarea si controlul sunt mai facile;

Instalatiile de ardere in strat fluidizat sunt folosite inca din 1960 pentru arderea deseurilor solide municipale si industriale.

Aceste instalatii folosite pentru biocombustibili pot depasi puteri de 30MWt. Biomasa este arsa intr-o suspensie formata din gaz si materialul inert granular al stratului (nisip, alumina, olivina si dolomita) in care aerul de ardere este insuflat pe la partea

19

inferioara. Sistemele cu strat fluidizat sunt flexibile in ceea ce priveste combustibilii. Arderea in strat fluidizat este tot mai folosita deoarece materialul inert din stratul fluid, care reprezinta 90-98% din amestecul material inert-combustibil actioneaza ca un regulator termic ce compenseaza variatiile continutului de umiditate si mentine constant fluxul de caldura produsa si calitatea gazelor.

Co-arderea biomasei cu carbunele in cazanele proiectate pentru carbune este tot mai utilizata pentru ca se folosesc investitiile si infrastructura asociate centralelor termoelectrice cu combustibili fosili si in acelasi timp se reduc emisiile de poluanti (SOx, NOx etc.) si de gaze cu efect de sera (CO2, CH4, N2O). Instalatiile existente de ardere a carbunelui pot folosi pe langa carbune pana la 10% biomasa fara nici o modificare.

Eficienta arderii biomasei in cazul co-arderii este de 34% ca si la arderea carbunelui. Utilizarea biomasei in ciclurile combinate cu instalatie de gazificare se face cu o eficienta de 35-45%.

Pentru eliminarea SOx nu sunt necesare masuri secundare, deoarece prin arderea biocombustibililor nu se produce asa mult SOx ca la arderea carbunelui. Deoarece emisiile de cenusa si funingine pot duce la formarea aerosolilor sunt necesare masuri suplimentare de curatire a gazelor de ardere.

3.2.Gazificarea biomasei

Procesele de gazificare pot fi privite ca si conversia prin ardere, dar la care participa mai putin oxigen decat la ardere. In functie de raportul dintre cantitatea de oxigen ce intra in reactie si cea necesara arderii complete, denumit raport echivalent, se poate calcula compozitia gazului produs (fig. 9).

20

Pentru un raport sub 0,1, procesul se numeste piroliza si numai o mica parte din energia chimica a biomasei se regaseste in gazul produs, restul regasindu-se in carbonul si biouleiul produs. Daca raportul este cuprins intre 0,2 si 0,4, procesul se numeste gazificare. Aici are loc transferul maxim de energie de la biomasa la gazul produs.

Gazificarea termochimica este procesul de conversie prin oxidare partiala la temperatura ridicata a materiei ce contine carbon, ca biomasa sau carbunele, cu formarea unui gaz denumit gaz de gazogen, “gaz cu putere calorica medie” (MHV gas) sau “gaz de calitate medie”. Acest gaz contine CO, CO2, H2, CH4 si cantitati mici de hidrocarburi mai grele ca etanul si etena, apa, azot (daca se foloseste aerul ca agent de oxidare) si diferiti contaminanti precum particule mici de cocs, cenusa, gudroane si uleiuri.

Gazificarea cu aer produce un gaz cu putere calorica redusa (4000-7000 kJ/m3N, putere calorica superioara), care este potrivit pentru utilizarea la cazane, motoare si turbine, dar nu este potrivit transportarii prin conducte datorita densitatii energetice scazute.

Gazificarea cu oxigen produce un gaz cu putere calorica mai mare (10000-18000kJ/m3N, putere calorica superioara), care este potrivit pentru o distributie limitata cu ajutorul conductelor si pentru utilizarea ca gaz de sinteza (amestecul format din CO,H2

si urme de CO2 obtinut prin curatirea gazului de gazogen).Gazificarea se poate aplica biomasei cu continut de umiditate mai mic de 35%.Gazificarea cu aer este tehnologia cea mai utilizata deoarece sunt evitate costurile

si pericolele asociate producerii si utilizarii oxigenului aferente gazificarii cu oxigen, precum si complexitatea si costul reactoarelor multiple de la gazificarea pirolitica sau cu abur, unde sunt necesare doua reactoare.

3.3.Piroliza biomasei

Piroliza reprezinta descompunerea termica ce are loc in absenta oxigenului. Este primul pas in procesele de ardere si gazificare. Este cunoscuta de sute de ani ca tehnologia de producere a mangalului si a unor chimicale. Au fost propuse mai multe cai si mecanisme.

In fig. 8 este prezentat un model de piroliza a celulozei cu caile si posibilitatile de maximizare a produselor.

21

C

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

Biouleiul produs prin piroliza este miscibil cu apa si este format din mai multe substante chimice organice oxigenate. Principalele caracteristici ale biouleiului sunt:

culoare brun inchis putere calorica 17 000kJ/kg aciditate pH≈ 2.5 densitate 1200kg/m3

miros puternic miscibilitate nemiscibil cu hidrocarburile viscozitate creste in timp volatilitate scade in timp

Biouleiul nu este mult utilizat din urmatoarele motive: costul este mai mare cu 10-100% decat al combustibililor fosili; disponibilitatea este limitata; lipsa standardelor si calitatea schimbatoare inhiba utilizarea larga; nu este compatibil cu combustibilii conventionali; utilizatorii nu sunt familiarizati cu biouleiul; necesita manipulare speciala;

3.4.Procese biochimice de conversie a biomasei

Principalele procese biochimice de conversie a biomasei sunt fermentatia si digestia anaeroba.

Fermentatia este folosita pe scara larga in diferite tari pentru producerea de bioetanol (C2H3OH) din trestie de zahar, sfecla de zahar, grau sau porumb. Fermentatia cuprinde urmatoarele etape: biomasa este zdrobita si amidonul convertit in zaharuri de catre enzime, apoi zaharurile sunt convertite in bioetanol de catre drojdie (un organism ce secreta enzime catalitice) si in final separarea si purificarea bioetanolului prin distilare. Dintr-o tona de boabe de porumb uscat se obtin circa 450 l de bioetanol. Reziduul solid al procesului de fermentatie poate fi folosit ca hrana pentru animale, iar in cazul trestiei de

22

zahar, reziduul poate fi folosit drept combustibil in cazane, materie prima pentru gazificare sau pentru producerea placilor fibroase.

Conversia prin fermentatie a biomasei ligno-celulozice cum ar fi lemnul si plantele erbacee este un proces mai complex datorita prezentei polizaharidelor cu molecula mare si necesita hidroliza acida sau enzimatica inainte ca glucidele rezultate sa treaca in bioetanol prin fermentatie.

Motoarele cu aprindere prin scanteie normale pot functiona cu benzina amestecata cu bioetanol in proportie de 15%.Pentru utilizarea bioetanolului pur este necesara modificarea acestora. Motoarele modificate pot functiona cu amestec ce pot atinge 85% bioetanol, amestec cunoscut ca E85. Costurile suplimentare necesare construirii unui astfel de motor flexibil la combustibil reprezinta 150€.

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

Digestia anaeroba este un proces ce are loc in absenta oxigenului, prin care o populatie mixta de bacterii catalizeaza scindarea polimerilor din materia organica cu formarea unui gaz, numit biogaz, continand in principal metan si dioxid de carbon si mici cantitati de amoniac, hidrogen sulfurat si mercaptani ce sunt corozivi, otravitori si au miros pronuntat. Procesul are loc in mai multe etape (fig. 9).

Mai intai are loc descompunerea intr-un mediu nu neaparat anaerob a materialului biomasic complex de catre o populatie eterogena de microorganisme. Aceasta descompunere cuprinde hidroliza materialului celulozic la glucide simple (utilizand enzimele produse de catre microorganisme drept catalizator), a proteinelor la aminoacizi, a lipidelor la acizi grasi, a amidonului si ligninei la compusi aromatici.

Rezultatul primei etape este o biomasa solubila in apa, cu o forma chimica mai simpla, potrivita pentru etapa urmatoare. In a doua etapa are loc inlaturarea atomilor de hidrogen ai materialului biomasic (conversia glucidelor in acid acetic), inlaturarea gruparii carboxil a aminoacizilor si scindarea acizilor grasi cu masa moleculara mare in acizi grasi cu masa moleculara mica, obtinandu-se din nou ca produs final acidul acetic. Aceste reactii sunt reactii de fermentatie realizate de catre bacteriile acidofile. Pentru desfasurarea optima este necesar un pH=6-7, dar pentru ca acizii deja formati reduc pH-ul solutiei este necesara corectarea pH-ului prin adaugare de CaO.

In a treia etapa are loc formarea biogazului (amestec de metan si dioxid de carbon) din acid acetic, printr-un set de reactii de fermentare realizate de catre bacteriile metanogene. Aceste bacterii necesita un mediu strict anaerob. Toate procesele pot avea loc intr-un singur container, dar separarea lor pe etape face sa creasca eficienta. Primele doua etape pot dura cateva ore sau zile, iar ultima etapa cateva saptamani, in functie de natura materiei prime.

Pentru ca digestia sa aiba loc trebuie indeplinite anumite conditii. Activitatea bacteriilor este inhibata de prezenta sarurilor ale metalelor, penicilinei, sulfurilor solubile, sau a amoniacului in concentratie mare. Raportul numarului atomilor de carbon din materialul ce urmeaza a fi transformat si de azot trebuie sa fie sub 15. Prea mult azot duce la otravirea bacteriilor cu amoniac, iar prea putin azot duce la dezvoltarea insuficienta a culturii de bacterii si la productia scazuta de biogaz. Pentru fiecare tip de biomasa corespunde un anumit raport C:N (tabelul 8).

23

Reziduurile digestiei anaerobe sunt foarte buni fertilizatori. Substantele organice insolubile sunt facute solubile, iar azotul este fixat de catre microorganisme.

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

Biogazul are un continut energetic de circa 22.000 kJ/m3N, deci este un gaz de calitate medie.Pentru producerea biogazului prin digestie anaeroba se poate folosi namolul provenit de la tratarea apelor uzate, iarba si orice cultura agricola, balegar si deseuri agricole si alimentare, inclusiv cele de la abatoare, restaurante, magazine alimentare si deseurile din industria farmaceutica. Biogazul mai poate fi extras de la rampele de gunoi, unde acesta se formeaza spontan si daca nu este colectat poate provoca probleme de mediu pentru ca este un gaz cu puternic efect de sera.

Principalele utilizari sunt producerea de caldura, electricitate si combinat caldura si electricitate. Principalul avantaj al biogazului fata de ceilalti biocombustibili este ca poate fi ars direct in orice instalatie de ardere a combustibililor gazosi. El poate fi de asemeni injectat in conductele retelei de alimentare cu gaz natural. In plus, biogazul poate fi folosit la autovehicule adaptate sa functioneze si cu gaz. Stocarea biogazului se poate face in recipienti realizati din materiale zeolitice. Beneficiile de mediu rezultate prin inlocuirea benzinei si a motorinei cu biogaz sunt considerabile. Pentru a fi injectat in conductele de gaz natural sau folosit la autovehicule este necesara inlaturarea dioxidului de carbon din biogaz. Prin spalare cu jet de apa se elimina CO2 pana la 90%. Aceasta

24

permite obtinerea biometanului sub presiune din biogaz ce poate fi folosit la autovehicule.

Prin digestie anaeroba poate fi produs si hidrogenul. Se obtin 0,6 pana la 3,3 molecule de hidrogen dintr-o molecula de glucide, in functie de bacteria utilizata. Bacteriile termofilice, ce opereaza la temperaturi de pana la 70°C, dau o productie mai mare de hidrogen decat cele care opereaza la temperatura mediului ambiant. Productia poate fi marita daca se folosesc bacterii fototropice (isi realizeaza nutritia cu ajutorul luminii solare) ce convertesc acidul acetic in hidrogen.

Extractia mecanica este un alt proces de conversie folosit pentru producerea de ulei din semintele diverselor plante, cum ar fi rapita, bumbacul, alunele de padure. In urma extractiei se obtine nu numai ulei dar si un reziduu solid, care este utilizat ca hrana pentru animale. Pentru producerea unei tone de ulei sunt necesare trei tone de seminte de rapita. Uleiul vegetal a fost folosit drept combustibil in motoarele Diesel inca din 1900, cand Rudolf Diesel a demonstrat functionarea unui motor Diesel cu ulei de arahide.

Pentru a putea fi folosit in motoarele Diesel conventionale, uleiul vegetal mai trebuie procesat in primul rand pentru a-i reduce viscozitatea. Cel mai utilizat proces este transesterificarea (producerea esterului) uleiurilor vegetale utilizand alcool in prezenta unui catalizator. Pe langa uleiurile vegetale mai pot fi folosite si grasimile animale.

Biodieselul mai poate fi obtinut si prin presarea la rece a semintelor de rapita, dar acesta are utilizari limitate si nici glicerina nu mai este produsa ca produs auxiliar. Biodieselul poate fi folosit in stare pura sau in amestec cu motorina in motoarele Diesel normale.

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

4.Concluzii

A fost descris potentialul existent de folosire a biomasei ca sursa de energie in UE. Exista diferite tipuri de biomasa ce poate fi convertita printr-o diversitate de procese in produse utile. Multe dintre aceste procese sunt deja bine dezvoltate, iar altele sunt in dezvoltare. Exista o dorinta a UE si a statelor membre de a permite largirea productiei si utilizarea energiei produse din biomasa in viitor. In 1997, UE a stabilit obiectivul de a produce 12% din necesarul de energie pe baza resurselor regenerabile, mai ales pe seama biomasei.

Intre timp au fost facuti pasi pentru a sprijini realizarea acestui obiectiv. A fost desfasurata o cercetare de succes pentru dezvoltarea si imbunatatirea proceselor, reducerea costurilor si sprijinirea dezvoltarii standardelor. Au fost luate un numar mare de masuri legislative. Cu toate acestea, analizele recente au aratat ca dezvoltarea este inca lenta pentru realizarea obiectivului de 12% pana in 2010.

Biomasa va constitui principala sursa de energie regenerabila a UE. Comisia Europeana a stabilit in 2005 Planul de Actiune pentru Biomasa, pentru a asigura

25

promovarea bioenergiei prin actiuni la nivel european, national si regional. Planul va co-ordona si optimiza mecanismele financiare ale Comunitatii Europene, va redirectiona eforturile si va elimina obstacolele in utilizarea biomasei in scopuri energetice.

Bibliografie

http://www.minind.ro/biomasa/Plan_de_Actiune_pentru_Biomasa.pdf

http://www.agp.ro/ro/biomasa/

www.retscreen.net/download.php/ro/720/1/Course_bioh_ro.ppt

http://www.tehnicainstalatiilor.ro/articole/pdf/nr_38/014-030.pdf

www.bionic-project.eu/.../ BIOMASAsursa %20de%20 energie .ppt

http://www.agir.ro/buletine/337.pdf

http://www.biocombustibil-tm.ro/prezentare.html

http://instalatii.utcb.ro/site/proiectecoordonare/serefen/cib.pdf

26