PLATFOMA INTEGRATA LOCALA PENTRU PROCESAREA DURABILA A RESURSELOR REGENERABILE DIN FERME AGRICOLE

PLATFOMA INTEGRATA LOCALA PENTRU PROCESAREA DURABILA A RESURSELOR REGENERABILE DIN FERME AGRICOLE

Scopul proiectului: dezvoltarea de surse alternative de energie produse ecologic din
resurse regenerabile, ca raspuns la cresterea consumului de energie ca urmare a dezvoltarii
economice si demografice mondiale, a necesitatii de a reduce poluarea si in perspectiva
epuizarii resurselor de combustibili fosili( petrol, gaze, carbune).

Activitati

Lucrarile efectuate in cadru proiectului au vizat in principal:

evaluarea oportunitatii dezvoltarii unor tehnologii pentru obtinerea de energie din
resurse regenerabile;

evaluarea potentialului local al resurselor regenerabile;

realizarea unui    studiu de prefezabilitate privind oportunitatea dezvoltarii unei
platforme integrate ecoenergetice la nivel regional;

cercetarea proceselor de obtinere a biodieselului prin transesterificarea uleiurilor
vegetale;

testarea in conditii de exploatare a biodieselului;

cercetarea proceselor de piroliza rapida si lenta a biomasei;

cresterea capacitatii tehnice si tehnologice pentru realizarea modelului demonstrativ
de obtinerea biodieselului;

cresterea capacitatii tehnice si tehnologice pentru caracterizarea biodieselului si a
gazelor rezultate din combustia biomasei;

diseminarea informatiilor rezultate din studiile efectuate in cadrul proiectului.

8. Concluziile studiului

8.1. Biomasa. Biocombustibili.

Se apreciaza ca Romania are un potential de biomasa evaluat la circa 7594 mii tone echivalent petrol/an reprezentand aproape 19% din consumul total de resurse primare la nivelul anului 2000. Biomasa este reprezentata de: reziduuri din exploateri forestiere si lemn de foe, deseuri din industria de prelucrare a lemnului (rumegus, talaj), deseuri agricole(tulpini), biogaz, deseuri si rezidiuri menajere. Valorificarea potentialului energetic al biomasei ar putea sa acopere aproximativ 70% din angajamentele Romaniei referitoare la aportul surselor regenerabile in energia total consumata. Obiectivul principal privind utilizarea biomasei consta in asumarea unui consum echivalent de circa 3347,3 tone echivalent petrol pana in anul 2010 cu o productie medie anuala de energie de 1134 Gwh. Acest obiectiv se poate materializa prin realizarea de capacitati noi de productie a energiei pe baza de biomasa. Pe termen mediu si lung, cresterea cantitatii de biomasa se poate asigura din plantatii (arbori si arbusti cu crestere rapida) pe terenuri degradate sau scoase din circuitul agricol, precum si din valorificarea integrala a resurselor existente (plante oleaginoase cu procesare la biodiesel si valorificarea energetica a turtelor, glicerinei si deseurilor de la recoltare).

Principalii biocombustibili care pot fi folositi in Romania sunt: bioetanolul, uleiurile vegetale, biodieselul, biogazul, biocombustibilii de sinteza (amestec de hidrocarburi rezultat din prelucrarea produsului pirolizei materialelor ligno - celulozice), biometanol, hidrogen. Principalele surse de materii prime pentru biocombustibili sunt: uleiuri vegetale pentru productia de biodiesel, sfecla de zahar sau sorgul zaharat (pentru productia de etanol de fermentatie), deseurile organice, uleiuri comestibile uzate, deseurile animale, gunoiul

menajer, masa vegetala (care pot fi folosite pentru productia de biodiesel, biogaz, hidrogen).

Fig. 1 Fermentatoare intr-o instalatie de biogaz din Austria

Se estimeaza ca la nivelul consumului actual, rezervele de titei ar putea acoperi consumul mondial pe eel mult 44 ani. Resursele fosile neuniform repartizate pe glob pot duce uneori la restrictionarea aeeesului. Poluarea in erestere este ea insasi alarmanta pentru viitorul omenirii. Toate acestea pot constitui motive puternice pentru dezvoltarea unor tehnologii pentru obtinerea de energie din resurse regenerabile.

In Romania oportunitatile pentru aplicarea unor asemenea tehnologii sunt sprijinite de urmatoarele aspecte:

circa 45% din populatie traieste in mediul rural si se ocupa cu agricultura;

suprafata agricola este mare (15 mil. ha. din care 9 mil. ha pamant arabil);

circa 1,5 mil. ha pamant ramane necultivat;

pentru asigurarea consumului de carburanti Romania importa titei;

numarul de vehicule cu motor este in erestere;

prin aderarea la UE Romania este obligata sa apliee reglementarile de redueere a noxelor.

Studiul de prefezabilitate privind oportunitatea dezvoltarii unei platforme ecoenergetice la nivel regional are urmatoarele aspecte:

Avantaie

integrarea in UE

exista retele dese de transport a energiei

resurse agricole importante

forta de munca calificata

Dezavantaie

intarzieri in cercetarea si aplicarea biocombustibililor

nu este stimulata cultivarea de plante energetice

nu exista traditie in acest sens
-necesar mare de investitii

Oportunitati

suprafata agricola importanta, potential disponibila pentru biocombustibili

amplasamente industriale existente

acces la fonduri UE pentru reconversia agriculturii si infrastructurii industriale
destinate biocombustibililor

cresterea pretului titeiului

valorificarea superioara a resursei agricole

ocuparea fortei de munca in activitati stabile

Riscuri

eficienta lantului de productie a biocombustibililor este influentata de factori
climatici

cheltuieli pentru adaptarea motoarelor cu ardere interna pentru utilizarea de
biocombustibili

experienta limitata in cultivarea plantelor din care se obtin biocombustibili

sustenabilitate: absenta unor metodologii coerente de evaluare pe termen lung a
impactului biocombustibililor

acceptare sociala

8.2.5. Alte elemente de prefezabilitate

Ca adaus in combustibilii conventionali, biodieselul poate fi utilizat in motoarele standard fara modificari, cu reale imbunatatiri ale combustiei si reducerea noxelor generate de acestea.

Productia de bioetanol prin metode fermentative urmata de operatiile de concentrare, cere cheltuieli serioase legate de calitatea materiei prime si de procesele energofage implicate. In aceste conditii etanolul s-ar putea sa nu fie biocombustibilul potrivit pentm Romania.

Altemativa viabila din punct de vedere al asigurarii materiei prime regenerabile pentm Romania este producerea de biodiesel cu valorificarea integrala a subproduselor(srot proteic furajer, deseu de blaz energetic, piroliza deseurilor celulozice).

Modul de organizare al agriculturii romanesti si tendintele manifestate in ultimii ani prin aparitia multor firme de marime mica si medie precum si discutiile purtate cu fermieri, sugereaza ca initiativa realizarii unor platforme de uz local/regional pentm producerea de biodiesel ar fi foarte bine receptata de piata.

8.3. Biodiesel

Lucrarile de cercetare au aratat posibilitatea sintezei biodieselului prin transesterificare in cataliza bazica omogena a trigliceridelor continute in uleiul de rapita, cu

metanol, cu formarea esterilor metilici ai acizilor grasi din ulei.

H₂C-OCOR RCOOCH3 H₂C-OH

I    NaOH

H₂C-OCOR + 3 CH3OH <----» R COOCH3 + HC-OH

I    I

H₂C-OCOR R COOCH3 H₂C-OH

Ulei Metanol Metilesteri ai Glicerina

acizilor grasi (biodiesel)

Reactia de transesterificare este reversibila si moderat exoterma.

Studiul caracteristicilor cinetice ale reactiei de transesterificare in cataliza cu hidroxid de sodiu, la raportul molar ulei/metanol de 1/6 si la temperaturi intre 50 si 65 °C, a relevat faptul ca reactia este de ordin cinetic global doi( ordinul unu in raport cu fiecare dintre reactanti). Reactia se desfasoara cu viteza mare in primele minute, apoi

evolueaza mai incet, apropiindu-se de echilibru pe care il atinge dupa mai multe zeci de minute in fimctie de proportia de catalizator folosita si de temperatura. Spre exemplu la un raport molar ulei molar de 1/6, o cantitate de catalizator( hidroxid de sodiu) reprezentand 0,3% din cantitatea de reactanti si la o temperatura de 60 °C, timpul necesar antingerii conversiei maxime este de doua ore.

Fig.2 Reactor de laborator pentru sinteza biodieselului la Zecasin SA

O crestere a temperaturii de reactie cu 10 °C, duce la o crestere de aproximativ 2,5 ori a vitezei de reactie.

Studiile experimentale pentru decantarea fazei glicerinice au aratat ca in aproximativ 30 minute, se separa majoritatea glicerinei rezultata in proces.

Epuizarea metanolului ramas in biodiesel dupa reactie( 0,5 - 5%) necesita un singur echilibru teoretic de separare.

Spalarea cu apa a biodieselului pentru indepartarea alcalinitatii si a urmelor de glicerina este o operatie care poate crea probleme foarte mari datorita formarii emulsiilor. Urmele de glicerina si alcalinitate continute de biodiesel pot fi indepartate prin spalare cu apa demineralizata in 1-2 trepte, in functie de continutul de impuritati, la un raport volumic apa : biodiesel de 1/4 - 1/3.

Experientele au aratat ca centrifugand o proba de biodiesel brut, alcalinitatea si continutul de glicerina pot scade la valori de 0,1% pana la 0,004% la forte centrifuge relative de 7000 - 9000.

Uscarea biodieselului de urmele de apa, necesita un echilibru teoretic de separare si poate fi efectuata sub vacuum (300 - 400 torr abs.) si la temperaturi de 120 - 150 C.

Cresterea aciditatii uleiului initial duce la cresterea cantitatii de faza glicerinica care mai contine in afara de glicerina, sapunuri si biodiesel solubilizat ca microemulsie.

Lucrarile de cercetare au aratat posibilitatea purificarii biodieselului cu adsorbanti. In aceasta operatie sunt retinute urmele de catalizator(NaOH), sapunuri, glicerina, etc., din biodiesel.

Fig.3 Reactor(6o L) in instalatia pilot pentru sinteza biodieselului la Zecasin SA

Purificarea prin adsorbtie intr-o treapta este eficienta daca se folosesc cantitati de de adsorbant de aproximativ 5% fata de biodiesel, daca acesta are alcalinitate de eel mult mg NaOH/g.

Acest lucru se poate realiza lucrand cu un ulei proaspat din seminte depozitate corespunzator, uleiul fiind stocat sub perna de azot. Prin aceste proceduri se asigura o aciditate redusa a uleiului cea ce il face usor de prelucrat. De asemenea continutul de apa

al materiilor prime trebuie sa fie cat mai redus, iar cantitatea de catalizator folosita cat mai mica( cu pastrarea unui timp de reactie in limite economice).

Experientele au aratat ca ridicarea temperaturii de reactie defavorizeaza conversia finala prin influenta ei asupra constantei de echilibru. Totodata cresterea raportului molar metanol / ulei, s-a dovedit ca duce la avansarea conversiei, tot prin influenta pe care o are asupra constantei de echilibru.

Tehnologia propusa pentru obtinerea biodieselului cuprinde urmatoarele etape principale : reactia, recuperarea metanolului nereactionat, separarea fazei glicerinice, purificarea biodieselului, uscarea si filtrarea biodieselului.

Pentru reactie se propune o cantitate de catalizator, hidroxid de sodiu, de 0,3% greutate calculata la masa totala a reactantilor, peste cantitatea necesara neutralizarii aciditatii uleiului.

Lucrand la temperatura de 60 °C, timpul necesar unei reactii complete este de doua ore.

Alimentarea unor autobuze cu amestec motorina - biodiesel (5 - 20%) a dus la urmatoarele concluzii: consumul de combustibil creste cu circa 3% ca urmare a puterii calorifice mai mici a biodieselului data de continutul de oxigen din molecula, coeficientul de opacitate a gazelor de esapament a scazut cu circa 20%.

8.4. Procesarea biomasei prin piroliza rapida si lenta

Biomasa include o gama larga de materiale cum ar fi: lemnul, plante agricole si tehnice cultivate special pentru a fi utilizate ca sursa de energie, reziduuri agricole si forestiere precum si deseurile din industria forestiera si agricola, dar si cele din gospodarii si ferme. Biomasa contine energie chimica stocata, care deriva din energia solara. Majoritatea biomasei consta in plante vii si moarte, care au folosit procesul de fotosinteza pentru a stoca energie solara sub forma unor compusi chimici care constituie insasi planta, sau rezerva inmagazinata in seminte necesara germinarii.

Lemnul uscat are o compozitie elementara formata din aproximativ 50% carbon, 6% hidrogen, 44% oxigen. Compusii chimici care sunt alcatuiti cu aceste elemente sunt: celuloza, hemiceluloza, care sunt niste polizaharide si lignina care este un polimer format din unitati de fenilpropan, continand grupari metoxil, fenolice, hidroxilice, aldehidice.

In comparatie cu combustibilii fosili conventionali, biomasa are urmatoarele caracteristici inferioare :

o putere calorica scazuta in raport cu combustibilii fosili;

continut ridicat de umezeala care cauzeaza pierderi de energie la combustie ;

biomasa are o densitate in vrac scazuta, care necesita folosirea de utilaje mari
pentru manipulare, stocare si ardere ;

forma fizica nu este omogena, ceea ce creaza dificultati la transport, stocare,
alimentare.

Conversia biomasei

Procesele de conversie ale biomasei sunt: biologice si termice. Cele biologice sunt procesele de hidroliza, fermentatie si digestie anaeroba. Cele termice sunt: combustia, gazifierea, piroliza, lichefierea.

Procesele de conversie termica a biomasei incep cu o reducere a continutului de umiditate a materialului, ceea ce duce la o crestere a capacitatii calorice a acesteia.

Procesul de piroliza rapida formeaza un produs lichid sau semilichid care poate fi procesat mai departe pentm obtinerea de carburanti sau pentru producerea de gaz de sinteza.

Piroliza lenta este cunoscuta in general pentru producerea de carbune.

Conversia compusilor organici din masa de alimentare in produsi lichizi are loc la temperaturi de 300 - 500 °C, iar in procesul catalitic la presiune ridicata (50 - 350 bar), realizat in atmosfera reducatoare( H₂ sau CO) sau utilizand un sistem donor de hidrogen.

Produs

gazos

Rezervor pentru carbune

Fig.5 Sistem experimental utilizat pentru procesul de piroliza la ICSI Rm Valcea

Gazefierea biomasei este un proces ce se desfasoara la temperatura ridicata in care un

combustibil solid reactioneaza cu abur, CO₂, oxigen sau aer. Cele mai importante reactii

sunt

C + 1/2 O₂ = CO

C + O₂ = CO₂

C + H₂O(vap) = CO + H₂

C + H₂O(vap) = CO₂ + 2 H₂

C + CO₂ = 2 CO

CO + 3 H₂ = CH₄ + H₂O(vap)

C + 2 H₂ = CH₄

Piroliza biomasei este procesul de rupere a moleculelor acesteia sub influenta caldurii, intr-o atmosfera inerta, pentru a obtine un produs gazos continand CO₂, CO, H₂, CH₄, C₂H₆, C₂H₄, benzen, etc., un produs lichid alcatuit din gudron, hidrocarburi cu masa moleculara mare, apa, precum si un produs solid format din carbune.

Piroliza rapida a biomasei consta in incalzirea rapida( la nivel de sute de grade pe secunda, normal in jur de 500 °C/s) a biomasei solide intr-o atmosfera inerta pentru a produce combustibili gazosi, lichizi si solizi. Intr-un gazificator in pat fluidizat, piroliza rapida este reactia initiala a biomasei. Transferul de caldura intre particule are loc cu viteze ridicate rezultand biocombustibili la temperatura de operare ridicata, de obicei intre 750-950 °C.

Experimental s-a realizat piroliza rapida si lenta a biomasei la temperaturi de 800 -1000 °C si la temperaturi mai joase de 400 - 800 °C, principalul obiectiv fiind productia de gaz si carbune.

Materiile prime au fost: lemn de mesteacan si plop, srot din seminte de rapita rezultat dupa stoarcerea uleiului, paie de grau, etc.

Sistemul experimental a fost construit dintr-un reactor tubular cu diamentrul interior de 40 mm si lungimea de 1200 mm, un sistem de alimentare cu dozator, un rezervor la baza reactorului pentru carbune si un filtru pentru produsul in faza de gaz - vapori. Gazul

purtator, azotul( 15-30 L/h), a fost si el incalzit inainte de a fi introdus in reactor. Viteza de incalzire in sistem a fost de 3-5 °C/s. Produsul sub forma de gaz - vapori este racit pentru a condensa compusii mai grei care se separa ca fractie lichida(gudron).

Pe parcursul experimantarilor s-a observat ca o incalzire rapida a biomasei creste productia de volatile si descreste productia de carbune( mangal).

Lucrul la temperaturi mai inalte duce la cresterea cantitatii de gudron si la scaderea celei de carbon. La temperaturi mari creste si viteza de transformare a gudronului in produsi volatili.

Micsorand granulatia materiei prime supusa procesului de piroliza s-a obtinut o scadere a productiei de carbune si o crestere a celei de gaz. Micsorarea dimensiunilor particulelor pirolizate duce la un transfer mai bun de caldura.

Rezultatele experimentale arata o relatie directa intre concentratia de lignina din materia prima supusa pirolizei si productia de mangal obtinuta prin piroliza rapida. Astfel o proba continand numai lignina a dat 22% mangal, in timp ce din una continand numai celuloza a rezultat numai 0,3% mangal. Srotul de rapita continand circa 15% lignina a dat prin piroliza rapida 3 % mangal restul fiind produse volatile.

Analiza mangalului obtinut arata ca o data cu cresterea temperaturii de piroliza, continutul de carbon creste iar eel de hidrogen si oxigen scade.

Reactivitatea mangalului in reactia cu vapori de apa este cu atat mai mare cu cat temperatura de piroliza a fost mai mare, timpul de reactie mai scurt, iar materia prima a fost constituita din particule de dimensiuni mai mici.

Mangalul obtinut prin piroliza lenta are o structura fibroasa, pe cand eel obtinut prin piroliza rapida are o structura poroasa.

Compozitia gazelor produse in cursul pirolizei arata cresterea procentului de hidrogen si scaderea procentului de hidrocarburi cu cresterea temperaturii de piroliza datorita intensificarii reactiilor de cracare termica. Asemanator, la piroliza rezidurilor agricole se constata o scadere a continutului de CO₂ si o crestere a celui de CO, o data cu cresterea temperaturii.

Cresterea temperaturii de contact dintre faza gazoasa si cea solida favorizeaza cracarea hidrocarburilor alifatice si formarea de asemenea a hidrogenului si a hidrocarburilor aromatice( benzen, toluen).

Particulele de dimensiuni mici favorizeaza cracarea hidrocarburilor cu o crestere a productiei de hidrogen.

Daca scopul gazificarii biomasei este producerea gazului de sinteza pentru fabricarea metanolului sau a carburantilor prin procedeul Fischer - Tropsch, metoda care se pare ca a inceput sa fie aplicata consta in lichefierea biomasei lignocelulozice prin piroliza rapida. Se obtine o suspensie densa de aproximativ 1300 Kg/m³ continand mangal in ulei de piroliza. Aceasta suspensie colectata de la mai multe instalatii de piroliza este transportata la o instalatie centrala mare de gazificare. Aici suspensiile sunt pompate intr-un gazogen si tranformate in gaz de sinteza la temperatura si presiune mai ridicate.

In cursul unor experimentari de gazificare a srotului de rapita cu aer, s-a obtinut un produs gazos ce continea 18-24% H₂, 18-22% CO, 7-9% CH₄, 1-3% hidrocarburi C₂⁺, deci in jur de 33% gazul este format din compusi cu putere calorica superioara care poate fi valorificata pentru producerea de energie.

Dupa cum se poate deduce din cele expuse pana aici, cercetarile facute demonstreaza ca posibilitatea aplicarii in practica a proceselor de recuperare si valorificare a biomasei in cadrul unor platforme de procesare integrate, este reala putand aduce beneficii privind reducerea dependentei de combustbilii fosili, micsorarea poluarii, valorificarea integrala a materiilor agricole, stimularea culturii plantelor tehnice in vederea obtinerii de profituri mai mari pe suprafata cultivata, cresterea nivelului de trai in localitatile rurale prin productia locala de combustibili, energie termica si electrica.