material curs clubref - biomasa, ca, biodiesel, bioetanol

INTRODUCERE

1

1. INTRODUCERE

1.1 Problema globală a energiei

Este bine cunoscut faptul că ţările dezvoltate şi puternic industrializate consumă mai multă

energie pe cap de locuitor decât ţările în curs de dezvoltare sau cele din lumea a treia. Se ştie

şi faptul că există o corelaţie între standardele de viaţă ale unei ţări şi consumul său energetic.

În general, cu cât este mai ridicat standardul de viaţă, cu atât este mai mare şi consumul

energetic. Totuşi, intensificarea, într-un ritm atât de rapid, a consumului de combustibili

lichizi în secolul XX pentru a satisface nevoile tot mai crescânde ale populaţiei globului,

sugerează că nu mai este prea mult până când epuizarea resurselor de petrol şi gaze naturale

va începe să ne afecteze în mod negativ. Acest lucru va face să crească nivelul de utilizare a

resurselor energetice alternative din biomasă.(Klass, 1998)

Ţările puternic industrializate şi câteva dintre ţările cu cea mai mare densitate a populaţiei

sunt responsabile pentru consumul majoritar de energie (aproximativ 65%) şi pentru cea mai

mare parte a consumului de combustibili fosili.

Estimările actuale asupra rezervelor dovedite nu reprezintă rezervele recuperabile definitive

deoarece activităţile curente de exploatare şi noile descoperiri sunt în general capabile să

susţină rezervele dovedite pentru încă multe decade.

Figura 1.1 Epuizarea rezervelor globale de petrol cu o rată de creştere a consumului anual de

1,2%

În ciuda faptului că piaţa internaţională a comerţului de petrol şi gaze naturale este în floare şi

a faptului că nu sunt semne reale care să arate o reducere semnificativă a consumului

energetic global, rezervele estimate şi data limită sugerează că epuizarea rezervelor de petrol

şi gaze naturale va reprezenta o problemă majoră la jumătatea secolului XXI.

Ruptura produsă în disponibilitatea şi furnizarea energiei şi combustibililor care a avut loc în

anii 1970 demonstrează impactul potenţial asupra societăţii. Estimările efectuate în perioada

INTRODUCERE

2

anilor 1970 arătau, de exemplu, că rezervele globale de gaze naturale se vor epuiza până în

anul 1995. Descoperirea unor noi rezerve mari, îmbunătăţirea semnificativă a metodelor de

extracţie şi procesare a gazului natural, eficienţa crescută a echipamentelor finale în utilizarea

gazului şi nu în ultimul rând rata de utilizare anuală mai scăzută decât cea estimată, au

contribuit toate ca estimările anterioare să nu se adeverească. Totuşi, când vine vorba de

cerinţele energetice globale şi de faptul ca este nevoie de perioade îndelungate de timp pentru

a reface rezervele de combustibili fosili, trebuie luat în considerare faptul că Pământul nu este

o sursă infinită de petrol sau gaze.

1.2 Problema generală a poluării

Arderea lemnului și a cărbunelui pentru încălzire și energie, a cauzat probleme cu secole sau

chiar milenii înainte. Încă de când omul a făcut foc cu lemne în peșteri, au existat probleme

de respirație.

În 1306, regele Edward I la Angliei a interzis utilizarea cărbunelui care cauza apariția

fumului usturător în Londra.

In 1850 s-a inventat termenul “smog” pentru combinația de fum (“smoke”) de cărbuni și

ceață (“fog”) care apărea frecvent deasupra Londrei. In 1873 și 1911, smogul a fost acuzat ca

ar fi cauzat moartea a 700 (19 persoane au murit cazând accidental în Tamisa din cauza

vizibilității), respectiv a 1150 de persoane. Cel mai grav eveniment a fost înregistrat în

Londra în 1953, la începutul lunii decembrie, când din cauza unei inversiuni termice și a unui

front staționar, vântul nu a mai bătut de loc (0km/h). Evenimentul a fost numit “Big Smoke”,

cauzând reducerea vizibilității la 0 și la moartea a 4000 de persoane în interval de 5 zile. In

urma acestui eveniment, Anglia a adoptat Actul Clean Air în 1956.

Evenimente similare au avut loc în Statele Unite în octombrie 1948, când 20 de persoane au

murit și peste 7000 au fost spitalizați în Donoro, Pennsylvania ca urmare a fumului industrial

acumulat pe valea râului din zona. Acestea și alte evenimente au condus, în 1963, la

adoptarea primei legi federale în SUA: Clean Air Act, pentru a reduce poluarea din surse

staționare.

Smogul fotochimic a fost descoperit în California de Sud în 1953, după primele alerte

antismog de la sfârșitul celui de al doilea Război Mondial. In urma acestor studii, în 1970, în

Clean Air Act sunt introduse și sursele mobile de poluare, stabilind standarde pentru calitatea

aerului ambient și limitele pentru emisiile produse de surse staționare și mobile. Actul a fost

revizuit în 1990 și acum reglementează 189 de poluanți toxici ai aerului și combustibili

alternativi și monitorizează poluanți care contribuie la apariția ploilor acide și diminuarea

stratului de ozon.

Este crucial să luam masuri pentru reducerea poluării. O abordare preferabilă este să

prevenim pătrunderea poluanților în atmosferă. O cale pentru a realiza acest lucru este să

reducem dependența față de combustibilii fosili și să ne îndreptam atenția spre surse

energetice nepoluante și regenerabile. Ar fi de dorit ca populația să aibă la dispoziție energie

INTRODUCERE

3

din diferite surse în funcție de locația fiecăruia. Schimbări de o asemenea anvergură nu se pot

produce rapid și implică dezvoltări tehnologice majore, modificări în infrastructura sistemului

energetic.

In viitorul apropiat, majoritatea energiei va proveni tot din combustibili fosili, iar o

modalitate de a reduce emisiile este utilizarea și arderea unor combustibili curați și adaptarea

autovehiculelor pentru a rula cu combustibili alternativi și pentru a produce mai puține emisii

poluante.

Prima lege a termodinamicii poate fi transpusa astfel: energia nu poate fi nici creata, nici

distrusa. Energia se poate transfera de la un corp la altul, și poate schimba forma, dar nu

poate pur și simplu să apăra sau să dispară. Energia chimică se poate transforma în căldura,

energia cinetică poate deveni energie mecanică sau orice altă combinație. De exemplu

energia din benzina este energie solara care a fost stocata în plante. Când este folosită într-un

motor, această energie devine lucru mecanic, care face ca mașina să se miște. In acest mod,

motoarele cu combustie, turbinele de gaz sau bateriile pot fi considerate dispozitive de

conversie a energiei.

Transferul de energie este rareori 100% eficient. Un automobil nu reușește să transforme mai

mult de 20-25% din energia conținută în benzină, în lucru mecanic, restul devenind căldura

risipita (Desonie, 2007).

Impactul factorului uman asupra mediului natural depinde în mod fundamental de

interacţiunea existentă între populaţie, creşterea economică şi tehnologie. Acest impact poate

fi pus în evidenţă prin următoarea identitate:

În această relaţie, poluarea este înţeleasă ca degradare a mediului şi apare ca produs al

populaţiei, nivelului veniturilor (termenul Produs Intern Brut, PIB/locuitor) şi intensităţii

poluării provocată de producţie (termenul poluare/PIB).

Încă din anii 1960, modificările climatice şi calitatea aerului au devenit un subiect important

de discuţie şi de multe ori au creat controverse în multe ţări şi rândul guvernelor sau

diferitelor comunităţi ştiiţifice.

Fără atmosfera protectoare, Pământul ar fi de nerecunoscut. Gazele care compun atmosfera

asigura ingredientele brute necesare plantelor pentru a produce alimente și organismelor vii

pentru a putea folosi energia din alimente. Stratul de ozon situat în partea superioara a

atmosferei protejează viața planetei filtrând radiațiile solare. Gazele cu efect de seră,

stochează căldura, rezultatul fiind temperaturi globale moderate. Atmosfera reprezintă locația

tuturor fenomenelor meteorologice: ploaie, secetă sau vânt. Dar atmosfera este atât de

necesara umanitarii nu doar din aceste motive. Umanitatea profită de imensitatea atmosferei

folosind-o ca un depozit pentru gazele nedorite rezultate în urma proceselor industriale. Iar în

acest moment, cantitatea de poluare a aerului ne depășește. Orașe, zone rurale, parcuri

INTRODUCERE

4

naționale – toate sunt afectate de aerul tot mai poluat. Poluanții rezultați în urma arderii

combustiilor sau a producerii de chimicale se ridica în aer deasupra zonei în care sunt produși

conducând la vizibilitatea redusă, mediu alterat și în final la sănătate compromisa. Unele

substanțe poluante se combina cu apa din atmosfera creând acizi care revin pe suprafața

Pământului ca ploi acide. Aceste ploi acide degradează păduri, mediile cu apa dulce, obiecte

culturale, etc.

Poluanții aerului nu dăunează doar la nivel local sau regional, aceștia produc deteriorări ale

mediului la scara globala. Creșterea concentrațiilor gazelor cu efect de sera, rezultatele

activităților umane precum arderea combustiilor fosili au ridicat temperaturile globale. Acest

fapt a condus deja la creșterea nivelului marilor și oceanelor, la apariția fenomenelor meteo

extreme, la topirea ghețarilor și calotei glaciare. Eforturile depuse până acum, de diminuarea

gazelor cu efect de seră au avut rezultate limitate, dar lumea devine tot mai conștientă că este

nevoie de soluții alternative (Desonie, 2007).

Azotul (N2) și oxigenul (O2) reprezintă 99% din gazele care se regăsesc în atmosferă. Deși

alte componente însumează doar restul de 1%, unele dintre ele sunt extrem de importante.

Tabelul 1.1 Lista gazelor atmosferice şi concentraţiile acestora

GAZ SIMBOL CONCENTRATIE (%)

Azot N2 78,08

Oxigen O2 20,95

Argon Ar 0,93

Neon Ne 0,0018

Helium He 0,0005

Hidrogen H 0,00006

Xenon Xe 0,000009

Vapori de apa H2O 0 – 4

Dioxid de carbon CO2 0,36

Metan CH4 0,00017

Protoxid de azot

(Nitrous Oxide) N2O 0,00003

Ozon O3 0,000004

Particule (praf,

funingine) 0,000001

Clorofluorocarbon

(CFC) 0,00000002

sursa: (Desonie, 2007)

Cel mai important factor care contribuie la poluarea aerului îl reprezintă arderea

INTRODUCERE

5

combustibililor fosili. Poluanții aerului provin fie direct din țeava de eșapament, fi sunt un

rezultat al reacțiilor chimice dintre emisii și lumina solara. Poluanții aerului includ gazele cu

efect de seră, gaze toxice, particule și compuși care reacționează cu apa din atmosfera creând

ploile acide. Un alt tip de poluant îl constituie compușii organici volatili (VOC) care se

răspândesc în aer în principal prin evaporare.

Deși printre poluanți se află și compuși care se regăsesc în mod natural în compoziția

atmosferei, de exemplu CO2-ul, activitățile umane îi produc și eliberează în cantități peste

nivelul normal. Unii compuși sunt poluanți pentru ca se află într-o zonă a atmosferei unde nu

ar trebui să fie defapt: de exemplu o zonă care acționează ca un scut împotriva razelor UV în

stratosfera, este poluant daca se afla în troposfera. Căldura în exces este considerata un factor

poluant iar zonele urbane sunt afectate de creșterea temperaturilor și de condiții

meteorologice variabile.

Dioxidul de carbon (CO2) și vaporii de apă rezultați în urma arderii complete a cărbunilor și

petrolului pur sunt gaze cu efect de sera. Acești compuși nu sunt o amenințare directă asupra

sănătății populației, dar contribuie la încălzirea globala. Pe de altă parte, rareori cărbunii sau

petrolul sunt în stare pură și astfel arderea lor conduce la apariția și a altor poluanți precum:

monoxid de carbon (CO), dioxid de azot (NO2), dioxid de sulf (SO2) și hidrocarburi

(Desonie, 2007).

Monoxidul de carbon este un gaz incolor și inodor care este letal în cantități mari.

Oxizii de azot (NO) sunt gaze cu efect de sera. Arderea cărbunilor și petrolului emite azot

care reacționează cu oxigenul O2, formând dioxid de azot NO2 și monoxid de azot NO.

Dioxidul de azot, NO2, este un gaz otrăvitor, de culoare maro – roșcat care contribuie la

colorarea aerului în nuanțe de roșu – maroniu și apariția unui miros caracteristic de bălegar în

zonele poluate. Concentrațiile de oxizi de azot NOx în zonele urbane se estimează a fi de la

10 până la 100 de ori mai mari decât în cele rurale. In aer umed, NOx reacționează cu apa,

H2O, pentru a forma acid azotic (HNO3), o componenta a ploilor acide

Oxizi de sulf Deși SOx reprezintă simbolul caracteristic tuturor oxizilor de sulf (SO2 și SO3),

aproximativ 95% din totalitatea oxizilor de sulf sunt sub forma de dioxid de sulf (SO2). In

atmosfera dioxidul de sulf, SO2, este precursorul sulfaților (SO42-

) care au efecte puternic

distrugătoare și care se formează prin adiția chimica a oxigenului (O2). SO3 nu este un

compus stabil și poate reacționa cu apa (H2O) pentru a forma acidul sulfuric (H2SO4),

compus al ploilor acide (Wang, Pereira et al., 2005).

Ozonul (O3) nu este un rezultat direct al arderii combustibililor fosili, ci rezultatul unui

proces în doua etape. Întâi, hidrocarburile rezultate în urma arderii incomplete a benzinei

reacționează cu oxizii de azot și oxigenul atmosferic formând ozonul. Apoi, ozonul

reacționează cu evacuarea automobilului formând smogul foto – chimic. Aceste reacții au loc

doar în prezența luminii solare, de aceea poluarea cu ozon este mai accentuată în zilele

însorite și calde de vară, fiind un fenomen îngrijorător în Los Angeles, California (Desonie,

2007).

Particulele sunt un coprodus al arderii combustibililor fosili și biomasei. Majoritatea

INTRODUCERE

6

particulelor sunt nontoxice, dar pot provoca probleme de sănătate dacă pătrund în plămâni.

Particulele pot pătrunde în atmosfera și din surse naturale cum ar fi cenușa vulcanică sau praf

adus de vânt. Deoarece particulele reduc vizibilitatea, acestea constituie cei mai perceptibili

poluanți ai aerului. Vântul poartă aceste particule pe distante mari, de exemplu particulele din

Europa cauzează ceața care acoperă zonele Arctice în fiecare primăvara.

Compușii organici volatili (VOC) sunt în majoritate hidrocarburi care intră în atmosfera în

principal prin evaporare. Exista mai multe tipuri de hidrocarburi în aer, cel mai întâlnit

compus fiind metanul, CH4. Acesta nu reprezintă un risc imediat asupra sănătății umane, dar

este un gaz cu efect de sera.

Clorofluorocarburile sunt compuși organici volatili sintetici. Acești compuși sunt foarte

stabili. Mult după ce au fost fabricați, aceștia continua să urce în atmosfera superioara unde

distrug ozonul stratosferic. CFC-uri sunt de asemenea gaze cu efect de sera. (Atmosphere –

Air polution and its Effects).

Conform estimărilor Environmetal Protetion Agency (EPA) poluarea aerului în Statele Unite

provine: 49% din sectorul transporturilor, 28% din combustibilul ars în centrale și fabrici,

13% din evaporarea substanțelor volatile, 3% din înlăturarea (disposal) deșeurilor solide, iar

7% din diferite alte surse (Desonie, 2007).

Tabelul 1.2 Emisiile de dioxid de carbon (CO2) generate de arderea combustiblilor fosili, pe

regiuni ale lumii

Regiune % din emisii

totale în lume

CO2

Total

(Gt)

CO2 din

Petrol (Gt)

CO2 din

Gaze

naturale

(Gt)

CO2 din

Cărbuni (Gt)

Africa 3,5 0,79 0,35 0,09 0,35

America de

nord 27,6 6,17 3,04 1,28 1,86

America

centrala şi de

sud

3,4 0,76 0,56 0,12 0,08

Europa centrală 17,7 3,94 1,19 1,34 1,42

Europa de vest 17,7 3,94 2,13 0,58 1,23

Asia centrală 3,7 0,82 0,58 0,22 0,02

Orientul

îndepărtat 26,4 5,90 2,36 0,35 3,20

Total 22,34 10,21 3,98 8,15

% din total 45,7 17,8 36,5 Sursa: (Klass, 1998)

În Comunitatea Europeana, sectorul transporturilor totalizează mai mult de 30% din

consumul energetic total din comunitate și este dependent, in proporție de 98% de

combustibilii fosili. Se așteaptă ca 90% din creșterea nivelului emisiilor de CO2 intre anii

INTRODUCERE

7

1990 și 2010 să fie atribuite acestui sector.

Tabelul 1.3 Emisiile de dioxid de carbon, CO2 in EU – 27 (milioane de tone) .

1990 2007 Modificări 1990 - 2007

Emisii totale (Kyoto) 5564,0 5045,4 -518,7

Agricultura 579,5 462,2 -117,3

Arderea combustibililor

și emisii fugitive

4277,4 3999,1 -278,3

Transporturi 779,7 982,5 202,8

Transport rutier 715,3 920,4 205,2

Procese industriale 494,2 442,9 - 51,3

Deșeuri 212,9 141,2 - 71,8

Sursa: (Eea, 2009)

Emisiile de dioxid de carbon, CO2 in EU – 27 provin: 79,3% din arderea combustibililor și

emisii fugitive, 9,2% din agricultură, 8,8% procese industriale, utilizarea produselor și

solvenților și 2,8% din deșeuri. Comparativ cu anul 2007, in 2008 emisiile de CO2 au scăzut

cu 2,1%. Conform protocolului Kyoto, Eu – 15 a fost de acord să reducă emisiile gazelor cu

efect de sera cu 8% intre 2008 – 2012 in comparație cu anul de baza (emisiile pentru anul

(1990) de baza pentru EU-15 au fost fixate la 4265,5 Mt de CO2 echivalent). Pentru EU-15

emisiile de CO2 in anul 2008 au reprezentat 83,6% din totalul emisiilor gazelor cu efect de

sera, iar pentru EU – 27 au reprezentat 82,8% (Eea, 2009).

1.3 Necesitatea pentru carburanți alternativi

Având în vedere problemele legate de poluare şi de diminuarea resurselor fosile, apare

necesitatea pentru carburanți alternativi pentru:

- a asigura o tranziție lină către alți combustibili atunci când se va produce

scăderea drastică a rezervelor de petrol;

- a furniza o siguranță pe termen lung a rezervelor deoarece mai mult de

jumătate din rezervele de petrol ale lumii sunt în Orientul Mijlociu;

- a îmbunătății calitatea aerului deoarece combustibilii alternativi ard cu emisii

mai puțin poluante;

- a depășii barierele generate de absența rezervelor de petrol corelate cu prețul

ridicat al petrolului din alte surse. Un exemplu este utilizarea etanolului produs local prin

fermentarea trestiei de zahăr, ca și combustibil alternativ în Brazilia, care trebuia să importe

cantităși mari de petrol la prețuri ridicate.

INTRODUCERE

8

1.4 Biomasa şi biocarburanţii

În lume există numeroase surse alternative care pot înlocui utilizarea petrolului: gazele

naturale, cărbunii, biomasa, energia hidraulică sau cea generată de vânt, soare, apa mărilor

sau pe cale nucleară. Folosind aceste surse se pot obţine câteva tipuri de combustibili care pot

fi utilizaţi cu succes pentru alimentarea autovehiculelor de diferite tipuri (Ifp).

1.4.1. Biomasa

Terminologia „resurse regenerabile de carbon” din biomasă, surse crude sau deşeuri, este

defapt un termen impropriu deoarece carbonul este într-o stare perpetuă. Carbonul nu este

consumat în sensul că nu va mai fi disponibil sub nici o formă. Foarte multe reacţii chimice

reversibile şi ireversibile au loc într-o aşa manieră că ciclul carbonului face ca toate tipurile

de carbon, inclusiv cel din resursele fosile, să fie regenerabil. Este doar o chestiune de timp

(uneori milioane de ani) ca un fel de carbon să fie mai regenerabil decât altul. Cum timpul

reprezintă o chestiune presantă, pentru a suplimenta rezervele de energie, este nevoie de

materiale care conţin carbon în structură şi care se pot regenera pe perioade relativ scurte de

timp pentru a fi disponibile în mod continuu şi în cantităţi mari. Biomasa reprezintă o sursă

importantă de carbon care îndeplineşte toate aceste cerinţe.

Principalul pas în dezvoltarea biomasei este captarea energiei solare ca şi carbon fix în

biomasă prin fotosinteză, în timpul căreia dioxidul de carbon (CO2) este convertit în compuşi

organici, prin reacţia de mai jos:

Dezvoltarea continuă a plantelor pe glob depăşeşte nevoile energetice primare ale omenirii.

Însă, din motive ecologice, tehnice şi economice, doar o parte a biomasei care se dezvoltă

poate fi utilizată pentru producerea energiei. Chiar şi aşa, rămâne o cantitate mare de biomasă

care poate fi exploatată. Resursele din biomasă cuprind culturile agricole şi forestiere,

deşeurile agricole, forestiere şi industriale şi deşeurile municipale. (Klass, 1998)

Conform Agenţiei Europene de Mediu (European Environment Agency - EEA) potenţialul de

biomasă disponibil în Europa pare a fi suficient pentru a susţine obiectivele ambiţioase de a

produce energie regenerabilă într-o manieră responsabilă faţă de mediu. Dacă este extrasă din

agricultură, silvicultură sau deşeuri organice, biomasa poate furniza căldură, electricitate şi

combustibili pentru transport. De asemeni poate reduce emisiile gazelor cu efect de seră şi

contribuie la realizarea obiectivelor europene legate de producerea energiei regenerabile.

Evident, producerea combustibililor din biomasă intră în competiţie cu alte aplicaţii care nu

sunt parte a sectorului energetic. Îngrijorările recente se referă la faptul că producţia de

biocombustibili din biomasă intră în competiţie cu producţia de alimente. Productivitatea

agriculturii în Europa se află într-o creştere constantă de câteva decenii, iar acest lucru va

continua şi în viitor. Însă pentru a extinde producţia de biocombustibili, va fi nevoie de mult

mai multe suprafeţe cultivate cu plante generatoare de energie. Pe de altă parte, metodele noi

de cultivare, recoltare şi procesare vor reduce timpul necesar producţiei de biocombustibili.

În plus, se studiază şi se dezvoltă culturi energetice noi, care în momentul de faţă nu sunt

INTRODUCERE

9

cultivate, se iau în calcul algele ca sursă pentru biocombustibili, fiind o cultură care necesită

un spaţiu foarte mic pentru dezvoltare. Reziduurile din plante, care includ resturile agricole

sau din păduri, reprezintă un potenţial ridicat în obţinerea biocombustibililor.

Totuşi, producţia extensivă de biomasă poate crea presiuni nefavorabile asupra mediului, îm

special asupra biodiversităţii, resurselor de sol şi apă. De aceea, este foarte importantă

garantarea unei producţii de biomasă durabile. (Ifp)

Conform „Biomass Action Plan” (EC 2005) al Comisiei Europene sunt descrise diferite

acţiuni care să încurajeze utilizarea biomasei ca sursă regenerabilă pentru producerea energiei

(căldură, electricitate, combustibili). În continuare, Comisia Europeană propune, în lucrarea

„An EU Strategy for Biofuels”, următoarele:

- Promovarea biocombustibililor în Uniunea Europeană şi în ţările în curs de dezvoltare

şi se asigură că producerea şi utilizarea acestora, la nivel global, este pozitivă asupra

mediului;

- Pregătirea pentru utilizarea la scară mare a biocombustibililor prin optimizarea

culturilor dedicate, cercetarea biocombustibililor din a doua generaţie şi prin

sprijinirea intrării pe piaţă a acestora prin proiecte demonstrative şi eliminarea

barierelor de ordin non-tehnic;

- Explorarea oportunităţilor în ţările în curs de dezvoltare prin studierea posibilităţilor

de a cultiva materie primă pentru biocombustibili.

Cei mai promiţători biocombustibili sunt biodieselul, bioetanolul, uleiul vegetal pur şi

biometanul, dar şi combustibilii din generaţia a doua cum sunt biohidrogenul şi combustibilii

BtL (en. Biomass to Liquid fuel – combustibili lichizi din biomasă).

Unul din principalele avantaje ale utilizării biocombustibililor în locul combustibililor fosili

în sectorul transporturilor îl reprezintă abilitatea biocombustibililor de a reduce emisiile

gazelor cu efect de seră. Arderea în sine a biocombustibililor poate fi privită ca fiind neutră

din punct de vedere al emisiilor de dioxid de carbon (CO2). În timpul proceselor de ardere,

cantitatea de dioxid de carbon eliberată este aproximativ aceeaşi cu dioxidul de carbon

absorbit de plante prin fotosinteză. Astfel se consideră un ciclu închis al dioxidului de carbon

în atmosferă. Cu toate acestea, pentru a putea furniza informaţii totale asupra echilibrului

emisiilor gazelor cu efect de seră, trebuie efectuat un studiu asupra întregului ciclu de viaţă al

producţiei de biocombustibil.

Tipul de materie primă implicat în obţinerea biomasei este cel care influenţează determinant

climatul. Acesta determină randamentul energetic pe unitate de suprafaţă, utilizarea

îngrăşământului şi de asemeni cantitatea de carbon care poate fi izolată în sol. Trebuie luat în

considerare şi ce înlocuiesc aceste culturi. Dacă acestea înlocuiesc suprafeţe cu iarbă sau

păduri, cantitatea de gaze cu efect de seră e posibil să crească. Dacă, insă, culturile energetice

sunt plantate pe pământ arid, neproductiv unde culturile convenţionale nu se pot dezvolta,

aceastea au potenţialul să reducă emisiile asociate. Emisiile gazelor cu efect de seră pot fi

eventual reduse şi dacă plantele folosite ca materie primă pentru combustibili înlocuiesc

culturi anuale. Din acest punct de vedere, culturile perene energetice sunt mai avantajoase

celor anuale cum ar fi porumbul sau rapiţa. Echilibrul gazelor cu efect de seră ar trebui să fie

INTRODUCERE

10

şi mai favorabil dacă se folosesc şi sursele din deşeuri.

Emisiile rezultate din arderea biocombustibililor şi a combustibililor fosili în vehicule sunt

reglementate de standardele Comisiei Europene. Aceste standarde stabilesc limitele pentru

emisiile de evacuare ale vehiculelor care se vând în statele membre ale Uniunii Europene, dar

nu stabilesc limitele şi pentru vehiculele vândute deja. Standardele sunt denumite EURO 1 –

EURO 5, ultimul intrat în vigoare în anul 2009, iar pentru anul 2014 este propus standardul

EURO 6 cu o reducere a emisiilor de până la 50% faţă de EURO 5.

În întregul ciclu de viaţă al biocombustibililor, costul relativ ridicat al procesului de producţie

rămâne încă o barieră critică în calea dezvoltării comerciale, deşi se obţin progrese în mod

constant. Preţul biocombustibililor va deveni competitiv în momentul în care preţul petrolului

şi a altor surse de combustibili fosili va creşte şi va depăşi un prag critic.

Pentru biocombustibilii din prima generaţie, materia primă reprezintă un factor important în

costul total. Cum preţurile culturilor sunt foarte variabile, la fel şi preţul biocombustibililor

variază mult. Producţia la scară mare are un impact major asupra preţului combustibilului

obţinut. În general, se aşteaptă de la biocombustibili să aibă un impact major socio-economic.

Producţia de biocombustibili de primă generaţie oferă noi oportunităţi pentru piaţa produselor

agricole şi implicit oferă surse noi de venit pentru agricultori/fermieri.

Pe de altă parte, combustibilii din a doua generaţie nu sunt încă produşi la scară comercială.

Datorită costurilor de producţie ridicate, în momentul de faţă nu sunt competitivi, dar cum

tehnologia evoluează, ei vor juca un rol important în viitorul producţiei de biocombustibili.

Avantajul mare al acestor biocombustibili este acela că materia primă utilizată este foarte

variată, iar costul acesteia este redus, fiind în special materiale rezultate în urma altor

activităţi, deci în principal deşeuri. (Rutz e Janssen, 2008)

1.4.2. Tipuri de biocarburanţi

Toţi combustibilii pentru transporturi pot fi clasificaţi în combustibili fosili şi combustibili

bio sau regenerabili.

Criterii pentru alegerea combustibililor alternativi

1. Trebuie să fie ieftin și disponibil pretutindeni

2. Trebuie să ardă curat și să producă ai puține emisii

3. Trebuie să aibă putere calorifica ridicata

4. Ar trebui să fie ușor și ieftin de obținut/produs

5. Ar trebui să nu genereze modificări majore motoarelor existente

6. Ar trebui să crească durata de viața a motoarelor

7. Ar trebui să necesite o întreținere scăzuta a motorului

8. Ar trebui să fie ușor și sigur de manipulat și depozitat

INTRODUCERE

11

Pentru producţia acestor biocarburanílor se utilizează diferite tipuri de materie primă. Deşi în

momentul de faţă petrolul reprezintă principala sursă pentru producerea de combustibili

pentru transport, în Figura 1.2Error! Reference source not found. sunt prezentate diferite

metode de a produce combustibili din biomasă.

Figura 1.2 Tipuri de carburanți și metodele de obținere (Rutz e Janssen, 2008).

Biocarburanţii pot fi clasificaţi după starea lor în:

1. Combustibili lichizi

Alcooli

a) Metanol – Alcool metilic CH3OH

b) Etanol – Alcool etilic C2H5OH

c) Di – Metil Eter DME CH3OCH3

d) Di – Etil Eter DEE C2H5OC2H5

e) Metil Terț – Butil Eter MTBE C2H5OC2H5

Biodiesel (uleiuri vegetale)

2. Combustibili gazoși

f) a) Hidrogen – H2

g) b) Gaz Natural Comprimat – Metan – CH4

h) c) Gaz Petrolier Lichefiat – GPL

i) d) Biogaz (CH4 și CO)

INTRODUCERE

12

Interesul accentuat pentru utilizarea combustibililor alternativi rezultă din două mari

probleme:

- Autovehiculele care rulează cu benzina sau motorina sunt considerate o sursă majora

de poluare

- Combustibili clasici se obțin din petrol, care reprezintă o sursă neregenerabilă de

energie (Alternative Fuels For Vehicles)

Succesul combustibililor alternativi pe piața globală va depinde de numeroși factori, precum:

înțelegerea publică și gradul de conștientizare al consumatorilor, probleme economice,

performanțele automobilelor, disponibilitatea combustibililor, vehiculelor și a sistemelor de

distribuție și marketing și nu în ultimul rând avansul tehnologic (Heath, 2008).

Există o mare varietate de surse de materie primă, biocombustibili, tehnologii şi utilizări ale

biocombustibililor. Astfel, uleiurile crude şi biodieselul se pot produce direct din plante

oleaginoase. Etanolul se poate procesa din zahăr, amidon sau celuloză. În plus, biomasa poate

fi lichefiată sau gazeificată pentru a se obţine gaz sintetic (en. Syngas – acest termen va fi

utilizat în continuare în lurare) din care mai departe se obţin diferiţi combustibili.

În continuare în lucrare se vor prezenta tehnologiile uzuale de obţinere pentru biodiesel din

plante oleaginoase, bioetanol din zahăr şi amidon şi syngas din materie primă lignocelulozică.

ANALIZA STADIULUI ACTUAL AL TEHNOLOGIILOR DE PRODUCERE A BIOCARBURANŢILOR PENTRU

AUTOMOBILE

13

2. ANALIZA STADIULUI ACTUAL AL

TEHNOLOGIILOR DE PRODUCERE A

BIOCARBURANŢILOR PENTRU AUTOMOBILE

2.1 Istoricul motoarelor cu ardere internă şi a carburanţilor alternativi

Povestea combustibililor auto și a poluării aerului începe cu nevoia de lumină și

combustibilul pentru lămpi. Arheologii au găsit o varietate de lămpi și lanterne produse în

timpul civilizațiilor clasice din Egipt, Grecia, Roma, India și China. În aceste lămpi se

foloseau uleiuri vegetale sau grăsimi animale și deobicei aveau o gură de scurgere sau un fitil.

La jumătatea secolului XVIII în Europa și începutul secolului XIX în Statele Unite se

introduce uleiul de balenă care era procesat și comercializat la scară industrială.

În mod ironic, dacă privim acum, când a apărut automobilul, acesta a fost privit ca o metodă

de transport mult mai curată și mai sigură decât folosirea vehiculelor trase de cai.

Primul motor cu ardere internă autentic, în America, a fost dezvoltat de Samuel Morey, în

1926, era alimentat cu alcool și terebentină și era folosit ca motor de barcă.

În 1860, inventatorul german Otto a folosit alcool etilic ca și combustibil într-un motor

timpuriu, deoarece alcoolul netaxat era foarte răspândit și disponibil în Europa pentru lămpile

cu spirt. Acesta a conceput un carburator, care ca și cel al lui Morey, încălzea alcoolul când

motorul era pornit, pentru o mai ușoară vaporizare. Motorul său în patru cilindrii avea să

devină un model pentru motoarele viitoare cu ardere internă.

Automobilul – ”mașina care a schimbat lumea” – n-a fost inventat de o singură persoană sau

de un grup de persoane remarcabile, ci a fost rezultatul unei întregi revoluții industriale în

manufactură. În 1879 George Selden a patentat vehiculul alimentat cu benzină, iar în 1885,

Carl Benz a dezvoltat primul proces practic de fabricare a automobilelor în Germania

(Kovarik, 1998).

La sfâșitul secolului XIX, New York și Philadelphia erau printre orașele care salutau

automobilele electrice silențioase și curate care înlocuiau trăsurile trase de cai ”atât de

poluante”. Utilizatori și inventatori, printre care și Thomas Edisson, au discutat potențialul

acestor autovehicule, iar în 1899, un autovehicul electric a stabilit recordul de viteză la 97,6

km/h (61 mph) (Struben e Sterman, 2006).

Motorul Diesel are o istorie lungă, aflată în strânsă legătură cu probleme economice sau de

altă natură ale vremii. Motorul Diesel a fost conceput de Rudoph Diesel, care în 1892 a

înaintat patentul la Oficiul de Patente din Germania, pentru metoda și designul motorului său

cu ardere internă. În anul 1989 obține patentul; cu un an înainte, în 1897 produce un motor

Diesel care funcționează cu eficiență de 75% față de motorul cu aburi. Acest motor, în

particular, folosea ulei de arahide, iar în viziunea lui Diesel, aceasta era o oportunitate pentru


AUTOMOBILE

14

fermieri ca o sursă economică de combustibil, sursă provenită din biomasă. A fost folosit cu

combustibil obținut din biomasă până în anii 1920 și reîncepe să fie folosit în aceeași manieră

în zilele noastre.

Motorul inițial al lui Diesel nu era suficient de mic, astfel putând fi utilizat doar staționar,

fiind foarte greu. După moartea lui Diesel, motorul său a fost reproiectat în 1920 într-o

versiune îmbunătățită mai mică și compactă, acest lucru permițându-i să fie utilizat în foarte

multe aplicații, inclusiv în industria automobilelor. Anul 1936 aduce primul automobil cu

motor Diesel, modelul 260D fabricat de Mercedes-Benz.

Motorul original al lui Rudolph Diesel a fost proiectat să funcționeze cu ulei mineral (fosil),

iar la cererea Guvernului Francez, în cadrul expoziției World Fair din Paris din anul 1900,

motorul a funcționat cu ulei de arahide, atât de omogen încât puțină lume și-a dat seama de

acest lucru.

Uleiul de palmier a fost des considerat o sursă de combustibil diesel în studii istorice.

Uleiurile vegetale au reprezentat o sursă importantă de combustibil în timpul celui de-al

doilea Război Mondial. Brazilia a interzis exportul de ulei de bumbac pentru a putea substitui

motorina importată. Japonia, India, China și alte țări au raportat utilizări ale uleiurilor

vegetale ca surse de combustibil pentru motoare Diesel.

2.2 Evoluţia carburanţilor între anii 1830 şi 1950

Istoria energiei este încărcată de mituri şi inexactităţi. Primul mit este că prima sondă de ţiţei

a lui Edwin Drake a forat în Pennsylvania în 1859. Defapt, în secolul XIX și inceputul

secolului XX, în Europa și Statele Unite, lămpile cu diferite tipuri de ulei erau un lucru

obișnuit. Acești combustibili au reprezentat punctul de plecare logic pe care îl căutau

inventatorii în a utiliza combustibili lichizi în motoarele cu ardere internă.

Uleiurile lampante includeau tot felul de uleiuri vegetale (castor, rapiță, arahide), uleiuri

animale (în special ulei de balenă și seu de vacă și porc), terebentină rafinată din pin și

alcooli, în special metanol sau alcool metilic și alcool din cereale (etanol sau alcool etilic).

În anii 1830-1840, înainte de descoperirea petrolului în Pennsylvania, cel mai popular

combustibil în Statele Unite era un amestec de alcool etitlic cu terebentină (20-50%) pentru a

da culoare flăcării și câteva picături de ulei de camfor pentru a masca mirosul turpentinei.

Acest combustibil se numea ”camphene”.

Spre sfârșitul anilor 1830, amestecurile de alcool au înlocuit treptat uleiul de balenă care

devenea tot mai scump. În anii 1850, ”camphene” era mai ieftin decât uleiul de balenă și

untura, și avea cam același preț ca uleiul de cărbune, comercializat pentru prima oară ca și

”kerosen”. La apariția sa, în 1860, kerosenul din petrol a fost un combustibil bun, nu foarte

volatil, ardea puternic și era destul de iefin. Astfel, ar fi trebuit să se producă o trecere ușoară

de la ”camphene” la kerosen, dar o taxă pe alcool de 2,08$ pe galon a fost impusă în trepte


AUTOMOBILE

15

între 1862 și 1864. Deși taxa a fost menită a fi aplicată băuturilor alcoolice, nu s-a făcut o

formulare exactă, astfel, ea a fost impusă și alcoolului destinat combustibililor și utilizărilor

industriale. Acest lucru a făcut ca, peste noapte, kerosenul să devină combustibilul principal

în Statele Unite. În Europa în schimb, trecerea de la combustibilii alcoolici către kerosen s-a

produs treptat, în a doua jumătate a secolului XIX.

În perioada dintre 1890 și 1914, oamenii de știință din Germania, Franța și Anglia, precum și

oficialii guvernamentali își exprimau îngrijorarea legată de longevitatea rezervelor de petrol

și de natura imprevizibilă a surselor de petrol din Rusia și America. Companiile producătoare

din Germania, Franța și Anglia, vindeau deja motoare echipate să funcționeze cu diferiți

combustibili. În regiunile tropicale unde rezervele erau neregulate și în medii închise precum

minele și fabricile, erau preferate motoarele care puteau rula cu alcool.

Cu rezerve locale reduse, Franța și Germania, erau susținătoare înfocate ale dezvoltării pe

scară largă a combustibilului care putea fi distilat rapid din produsele fermelor locale. Până în

1896, trăsuri fără cai își făceau apariția pe străzile din Europa și Statele Unite, iar motoarele

cu ardere internă înlocuiau treptat motoare cu aburi din mașinile ușoare și echipamentele

pentru ferme. Întrebarea dacă benzina sau alcoolul era un combustibil mai bun a provocat

dezbateri aprinse și numeroase curse cu mașini alimentate cu diferiți combustibili au avut loc

în Europa.

În 1902 a avut loc o expoziție de automobile la Paris, dedicată automobilelor alimentate cu

alcool, utilajelor pentru ferme și o mare varietate de lămpi, sobe, încălzitoare, fiare de călcat

și orice alte obiecte de uz casnic sau motoare agricole alimentate cu alcool. Alte opt expoziții

dedicate combustibililor pe bază de alcool au avut lon în Germania, Franța, Italia și Spania

între 1901 și 1904. Producția de alcool în Franța se triplează din 1900 până în 1905, iar

motivația pentru interesul arătat de Franța pentru acest produs provenea pe de o parte din

exporturile în descreștere de sfeclă de zahăr și surplusul de alte culturi, iar pe de altă parte din

intensificarea importurilor de petrol din Statele Unite corelate cu lipsa rezervelor locale.

Germania a încercat să păstreze un echilibru între prețurile alcoolului și petrolului și a impus

taxe pe petrolul importat. În 1915, când deficitul de petrol părea să paralizeze sistemul de

transporturi din Germania, mii de motoare au fost modificate rapid să funcționeze cu alcool.

În Statele Unite, abia în 1906 s-a renunțat la taxa pe alcool. În același timp au început studiile

și testele alcoolului ca și combustibil pentru motoarele cu ardere internă. E. Thomson a

declarat că în ciuda valorii B.T.U. (British Thermal Unit) mai mici, un galon de alcool va

genera, într-un motor cu ardere internă, aproximativ aceeași putere ca un galon de benzină,

iar acest lucru se datorează eficienței superioare a operației. USDA a demonstrat, tot în 1906,

eficiența alcoolului în motoare și a descris cum pot fi modificate motoarele pe benzină pentru

a rula cu alcooli, pentru a avea putere mai multă cu combustibil alcoolic pur sau pentru

consum echivalent de combustibil, în funcție de necesități. În urma testelor din 1907 și 1908

s-a constatat că se pot obține rapoarte de comprimare mai mari cu alcool decât cu benzină.

Dacă raportul de comprimare era modificat în funcție de combustibil, economia de

combustibil era practic aceeași, în ciuda puterii calorice mai ridicate a benzinei. Anglia și

Franța au efectuat, de asemeni, teste și experimente, în paralel cu benzină, alcool, benzen și


AUTOMOBILE

16

amestecuri.

În urma testelor, societatea Scientific American a concluzionat în 1918 că: ”este definitiv

stabilit că alcoolul poate fi amestecat cu benzina pentru a produce un combustibil potrivit

pentru motoarele cu ardere internă”.

Henry Ford declara unui reporter în 1925 că alcoolul etilic este combustibilul viitorului, iar

această declarație era opinia împărtășită de întreaga industrie auto. ”Combustibilul viitorului

va proveni din fructe, buruieni, ... – aproape orice. Există combustibil în fiecare bucățică de

materie vegetală care poate fi fermentată”.

Alcoolul etilic a fost utilizat de multă vreme ca și combustibil pentru autovehicule, fie

înlocuind benzina într-un motor cu ardere internă modificat, fie pentru a îmbunătății cifra

octanică atunci când este în amestec cu benzina în proporție de 10-30%, fără a necesita

modificarea motorului.

O denumire familiară este ”gazohol” și definea amestecul de 10% etanol și 90% benzină în

anii 1970. În Filipine, în 1930, se utiliza un amestec de 20% alcool din trestie de zahăr cu

benzină și kerosen, sub numele de ”gazonol”. Alte denumiri mai puțin cunoscute sunt:

koolmotor, benzalcool, moltaco, lattybentyl, natelite, alcool și agrol întâlnite în Anglia, Italia,

Ungaria, Suedia, Africa de Sud, Brazilia și respectiv Statele Unite între anii 1920 și 1930.

Aspectele economice au favorizat petrolul împotriva alcoolului. Țările cu rezerve

considerabile de petrol, precum Statele Unite, sau care controlau surse petroliere din alte

teritorii, ca Olanda, au produs în general rapoarte împotriva utilizării combustibililor

alternativi. Pe de altă parte, tările care nu dețineau rezerve proprii de petrol au produs

rapoarte favorabile combustibililor alternativi. Contrastul era major.

În ceea ce privește combustibilii pentru motoarele diesel, în cadrul Expoziției de la Paris din

1900, Rudolf Diesel declara referitor la motorul pe care îl crease, că fusese construit să ruleze

cu petrol și că a rulat cu ulei vegetal, fără nici un fel de modificări, în cadrul expoziției rulând

cu ulei de arahide. Diesel a oferit și date concrete în urma testelor, aceastea arătând un

conținut de 11,8% hidrogen în compoziție și o putere calorifică de 8600 de calorii sau 32.124

BTU per kilogram. Conform afirmațiilor lui Diesel, experimente similare, încununate de

succes, au avut loc și în St. Petersburg cu ulei de castor și ulei de proveniență animală.

Majoritatea țărilor din Europa care aveau colonii africate (Belgia, Franța, Italia, Anglia) și-au

exprimat în acea perioadă interesul pentru combustibili din uleiuri vegetale, iar Germania și

alte țări publică articole și rapoarte referitor la acest tip de combustibil.

În timpul celui de-al doilea Război Mondial, uleiurile vegetale au fost utilizate ca și

combustibili de urgență. China a produs combustibili diesel, lubrifianți, ”benzină” și

”kerosen”, ultimele două printr-un proces de cracare a uleiului de tung și a altor uleiuri

vegetale.

Prima atestare a uleiurilor vegetale sub denumirea de ”biodiesel” a fost în august 1937, patent


AUTOMOBILE

17

atribuit lui G. Chavanne (University of Brussels, Belgia). Acesta descrie utilizarea etil

esterilor de ulei de palmier ca și combustibil diesel, esterii fiind obținuți prin transesterificare

cu cataliză acidă. În 1942 a fost publicat un raport amplu al utilizării etil esterilor de ulei de

palmier ca și combustibil în ceea ce putem considera, probabil, primul test urban a unui

autobuz rulând cu biodiesel (Knothe, Van Gerpen et al., 2005).

2.3 Tehnologii actuale de producere a biocarburaților

2.3.1. Tehnologia de obţinere a biodieselului

Pentru a obţine biodiesel, ideea de bază este de a converti gliceridele naturale în produse

lichide care au proprietăţi asemănătoare cu motorina clasică. Materia primă este constituită,

în principal, din uleiuri cu trigliceride obţinute din seminţe uleioase, alge sau grăsimi

animale. Aceste uleiuri conţin în mod normal cantităţi mici de monogliceride, digliceride şi

acizi graşi liberi. (Klass, 1998)

a. Extragerea uleiului

Extragerea uleiului din biomasă reprezintă primul pas în producţia de biodiesel. Pentru a

efectua această operaţiune, în ceea ce priveşte extragerea uleiului din seminţe, există două

tipuri fundamentale de procese: industriale, în care producţia se face centralizat, prin rafinare,

în instalaţii de dimensiuni industriale sau în prese de dimensiuni mici, prin presare la rece.

Instalaţiile de presare la rece

În instalaţiile de presare la rece, seminţele uleioase sunt iniţial spălate şi apoi presate exclusiv

mecanic la temperaturi maxime de 40 °C. Suspensia uleioasă rezultată este extrasă prin

sedimentare sau filtrare. Un coprodus al acestui proces sunt turtele de presare, în care rămâne

intenţionat o cantitate de ulei de aproximativ 10%, şi care sunt apoi utilizate ca furaje bogate

în proteine, folosite pentru hrana animalelor. Datorită costurilor mari de producţie, instalaţiile

de presare la rece nu se mai folosesc la scară largă. (Rutz e Janssen, 2008)

Instalaţii industriale

Cea mai utilizată metodă pentru a extrage uleiul din seminţe este tratarea materiei prime în

instalaţii industriale. Materia primă trebuie întâi pretratată. În timpul acestui pretratament,

seminţele sunt uscate pentru a ajunge la un conţinut de apă de aproximativ 9% (de exemplu

conţinutul de apă al seminţelor de rapiţă este 15%). În acelaşi timp seminţele sunt şi curăţate.

În plus, seminţele cu dimensiuni mai mari, de exemplu cele de floarea soarelui, sunt decojite

sau decorticate.


AUTOMOBILE

18

Figura 2.1 Instalaţii de presare la rece (Sursa:(Rutz e Janssen, 2008))

După aceste tratamente, în final seminţele sunt zdrobite şi se condiţionează umiditatea şi

temperatura. Umiditatea trebuie controlată deoarece o valoare prea ridicată a umidităţii face

dificilă pătrunderea solventului. La fel, umidititatea scăzută face ca seminţele să fie mai

compacte, ceea ce duce de asemeni la pătrunderea dificilă a solventului. Temperatura se

stabileşte la valori peste 80 °C pentru a dezactiva microorganismele şi pentru a evita pătarea

presei cu proteine coagulate. În plus, solventul poate pătrunde mai bine între seminţele

zdrobite, iar curgerea uleiului este mai uşoară cu cât acesta este mai lichid. În acest mod, de

exemplu, din seminţele de rapiţă, se poate extrage o cantitate de aproximativ 75% ulei. Acest

ulei crud este apoi filtrat şi deshidratat pentru a putea fi mai apoi rafinat în uleiuri vegetale

sau utilizat în producţia de biodiesel.

Turtele rămase în urma procesării mai au un conţinut de aproximativ 25% ulei şi din acest

motiv pot fi în continuare procesate pentru a extrage restul de ulei. Întâi turtele sunt zdrobite

astfel ca solventul, de obicei hexan, să poată fi adăugat şi să poată pătrunde bine în interiorul

materiei prime, şi astfel la temperaturi de până la 80 °C să se extragă uleiul. În urma acestui

proces rezultă un amestec de ulei şi hexan şi şrot de extracţie. Hexanul este apoi separat din

cele două produse pentru a fi reutilizat în proces.

Figura 2.2 Procesul de extacţie al uleiului din seminţe de rapiţă

În urma acestor proceses, în uleiul rezultat intră şi compuşi nedoriţi, mai numeroşi decât în

cazul obţinerii uleiului prin presare la rece. Aceşti compuşi sunt eliminaţi prin rafinare. (Rutz

e Janssen, 2008)

b. Rafinarea uleiului

Prin rafinare, uleiurile sunt pregătite pentru a fi direct utilizate ca şi combustibil ca uleiuri


AUTOMOBILE

19

vegetale sau pentru procesul de transesterificare pentru a se obţine biodiesel. Rafinarea ajută

la eliminarea unor substanţe nedorite precum fosfatide, acizi graşi liberi, ceară, tocoferoli şi

coloranţi, toate aceste substanţe modifică durata de stocare a uleiurilor şi împiedică

procesările ulterioare.

Procesul de rafinare depinde de calitatea uleiului vegetal, asftel, paşii procesului de rafinare

depind de sursa materiei prime. Schema simplificată a procesului de rafinare este prezentată

în Figura 2.3.

Prima etapă în procesul de rafinare se numeşte degumare şi cu ajutorul acestui pas se elimină

phosphatidele nedorite din uleiul vegetal. Acestea ajută la acumularea apei în ulei şi de

asemeni fac ca uleiul să devină tulbure în timpul stocării. Eliminarea fosfatidelor se poate

realiza în două moduri: degumare cu apă sau degumare acidă. Degumarea cu apă se aplică

fosfatidelor solubile, pentru aceasta, în ulei se adaugă apă la 60-90 °C iar amestecul este

separat prin centrifugare. Degumarea acidă se aplică fosfatidelor care nu pot fi hidratate,

adăugându-se acid citric sau fosforic.

Al doilea pas al rafinării se numeşte deacidificare, astfel se previne formarea de aromă

râncedă a acizilor graşi liberi. De asemeni, se mai elimină şi fenol, compuşi graşi oxidaţi,

metale grele şi fosfatide. Eliminarea acestor compuşi nedoriţi este importantă atât pentru

uleiurile alimentare cât şi pentru cele destinate producerii de biodiesel, deoarece acestea

alterează capacităţile de stocare şi influenţează procesul de transesterificare.

Figura 2.3 Schema procesului de rafinare a uleiului vegetal

Există câteva metode de deacidificare a uleiurilor:


AUTOMOBILE

20

- Neutralizarea cu substanţe alcaline. Aceasta este cea mai des aplicată metodă. Acizii

graşi liberi sunt saponificaţi cu substanţe alcaline şi săpunurile rezultate sunt apoi

separate;

- Distilarea – este nevoie de mai multă energie pentru acest proces;

- Esterificarea – implică procesul de esterificare a acizilor graşi liberi în prezenţa

glicerinei;

- Deacidificarea şi extracţia coloranţilor şi parfumurilor cu ajutorul diferiţilor solvenţi:

etanol, furfuran, propan.

A treia etapă se numeşte înălbire şi implică eliminarea coloranţilor. Acest proces

îmbunătăţeşte posibilităţile de stocare ale biocombustibilului. Înălbirea se realizează cu prin

absorţia unor substanţe cum ar fi pământ decolorant, silica gel, cărbune activ, oxigen, ozon,

peroxid de hidrogen sau căldură (200 °C).

Următoarea etapă duce la eliminarea substanţelor odorizante (ketone, aldehide) şi este

realizată prin distilare cu aburi.

În final, este nevoie de o deshidratare, deoarece urmele de apă existente în ulei pot influenţa

conversia din procesul de transesterificare în producţia de biodiesel. Eliminarea apei se

realizează fie printr-o distilare la presiune mică, fie prin spălarea cu azot a materialului gras

(Rutz e Janssen, 2008).

c. Transesterificarea

Biodieselul este un amestec de alchil esteri de acizi graşi obţinuţi prin transesterificarea

(reacţia de schimb de ester) uleiurilor rezultate în urma rafinării. Materia primă grasă are în

compoziţie aproximativ 90-98% (din masă) trigliceride şi urme de mono şi digliceride, acizi

graşi liberi în proporţie de 1-5% şi cantităţi reziduale de fosfolipide, fosfatide, carotene,

tocoferoli, compuşi cu sulf şi urme de apă (Mata, Martins et al., 2010).

Procesul chimic de transesterificare în urma căruia rezultă biodieselul, modifică structura

moleculară a moleculelor lipidelor. În acest fel şi proprietăţile fizice se modifică. Deşi uleiul

vegetal pur se poate utiliza direct pentru alimentarea motoarelor cu aprindere prin

comprimare cu mici ajustări, biodieselul obţinut prin transesterificare are câteva avantaje

(Rutz e Janssen, 2008). Motivul principal pentru care uleiurile se transesterifică este acela că

viscozitatea cinematică a biodieselului este mult mai apropiată cu cea a motorinei clasice.

Viscozitatea mare a uleiurilor netransesterificate crează probleme operaţionale în motor

precum acumularea de depozite pe diferite părţi ale motorului (Knothe, Van Gerpen et al.,

2005).

Uleiurile organice sunt trigliceride care din punct de vedere chimic sunt trei lanţuri de

hidrocarbon legate prin glicerină. Transesterificarea, numită şi alcoliză, este o reacţie în mai

mulţi paşi, incluzând o serie de trei reacţii reversibile în serie, în care trigliceridele sunt

convertite în digliceride, apoi digliceridele sunt convertite în monogliceridele iar în final

monogliceridele sunt convertite în alchil esteri (metil sau etil esteri în funcţie de alcoolul care


AUTOMOBILE

21

este introdus în reacţie – metanol sau etanol) şi glicerină (Mata, Martins et al., 2010).

Figura 2.4 Reacţia de transesterificare a biodieselului folosind metanolul

Legăturile sunt rupte prin hidroliză pentru a forma acizi graşi liberi, iar apoi acizii graşi liberi

sunt reactaţi cu un alcool (în general etanol sau metanol) pentru a forma etil sau metil esterii.

Amestecul se separă şi se depune, lăsând glicerina în partea de jos a reactorului şi esterii în

partea de sus. Separarea acestor două substanţe trebuie să se facă rapid pentru a evita o

reacţie reversibilă. Reacţiile de transesterificare au loc, de obicei, în prezenţa unui catalizator

acid sau bazic. Reacţia de transesterificare a biodieselului în prezenţa metanolului este

prezentată în Figura 2.4.

Transesterificarea cu metanol se numeşte şi metanoliză şi este cea mai utilizată metodă în

obţinerea biodieselului deoarece metanolul este ieftin şi puternic reactiv în comparaţie cu alţi

alcooli. Reacţia are loc încălzind un amestec de 80-90% ulei, 10-20% metanol şi o cantitate

mică de catalizator. Ca reacţia să se producă este necesar ca toate componentele amestecului

să fie bine amestecate deoarece solubilitatea metanolului în ulei este relativ scăzută.

Biodieselul rezultat în urma acestei reacţii se numeşte FAME – Fatty Acid Methyl Ester

(acizi graşi de metil esteri). În Figura 2.5 este prezentată schema generală a procesului de

transesterificare a uleiurilor organice în biodiesel prin intermediul metanolului (Rutz e

Janssen, 2008).


AUTOMOBILE

22

Figura 2.5 Procesul de producţie clasic al biodieselului prin transesterificare cu metanol

Relaţia între cantitatea de biomasă introdusă în reacţie şi cantitatea de biodiesel rezultată este

de 1:1, ceea ce înseamnă, teoretic, că la 1 kg de biomasă folosită rezultă aproximativ 1 kg de

biodiesel.

Deoarece metanolul se obţine în general din produse petroliere, reacţia de transesterificare

poate să aibă loc şi în prezenţa bioetanolului, astfel rezultând un produs complet regenerabil

printr-un proces mult mai prietenos cu mediul. Etanolul prezintă şi avantajul că nu este toxic

spre deosebire de metanol, că imbunătăţeşte conţinutul de energie şi cifra cetanică a

combustibilului rezultat, dar etanoliza necesită mai multă energie, iar separarea esterilor de

glicerină ridică probleme în mod frecvent. Combustibilul rezultat în urma transesterificării cu

etanol se numeşte FAEE – Fatty Acid Ethyl Ester (etil esteri de acizi graşi).

Procesul de transesterificare poate avea loc cu sau fără catalizatori. Dacă se produce în

absenţa catalizatorilor, reacţia este mai înceată şi este nevoie de mai multă energie. Avantajul

în schimb ar fi crearea unor esteri puri şi glicerinei fără săpun. Reacţia cu catalizatori este

utilizată în special din considerente economice, iar catalizatorii utilizaţi sunt de mai multe

feluri: materiale alcaline sau acide, compuşi metalici de tranziţie, silicaţi, lipaze.

Catalizatorii alcalini şi acizi se pot diviza în două categorii: omogeni şi eterogeni. Din aceste

motive, cataliza alcalină este mai des folosită în producerea de biodiesel. Hidroxidul de sodiu

(NaOH) şi hidroxidul de potasiu (KOH) sunt cei mai utilizaţi catalizatori alcalini, în special

deoarece cu ajutorul lor, transesterificarea poate avea loc la temperaturi scăzute (Rutz e

Janssen, 2008). În general, reacţia de transesterificare poate avea loc la temperaturi cuprinse

în intervalul 25-120 °C în funcţie compoziţia uleiului care este procesat, deci depinde de


AUTOMOBILE

23

materia primă (Mata, Martins et al., 2010).

Datorită varietăţii de materii prime folosite în producţia de biodiesel, şi proprietăţile

combustibilului rezultat diferă foarte mult.

2.3.2. Producerea bioetanolului

Etanolul, cunoscut şi ca alcool etilic sau alcool de calitate, este un compus chimic inflamabil,

incolor, fiind unul dintre alcoolii cei mai des întâlniţi în băuturile alcoolice. Formula

moleculară este C2H6O şi reprezentată în diferite forme ca EtOH, C2H5OH sau formula

empirică C2H6O. Cele mai importante proprietăţi ale etanolului sunt arătate în Tabelul 2.1

Proprietăţile etanolului.

Tabelul 2.1 Proprietăţile etanolului

Proprietate Valoare

Densitate, fază 0,789 g/cm3, lichidă

Solubilitatea în apă Total miscibil

Punct de topire -114,3 °C (158,8 K)

Punct de fierbere 78,4 °C (351,6 K)

Aciditate (pKa) 15,9 (H+ din grupul OH)

Viscozitate 1200 cP la 20 °C

În general etanolul se obţine fie biologici prin fermetaţie microbială, fie sintetic din materie

primă petrochimică. Procesul de producţie al bioetanolului din biomasă poate fi reprezentat în

următorii paşi:

Producerea materiei prime: recoltare, recepţie, depozitare

Tratament fizic: măcinare

Sacarificare: conversia amidonului şi a celulozei în zahăr

Tratament chimic: diluarea zahărului cu apă şi adăugarea de drojdie sau alte

organisme

Fermentaţia: producerea etanolului în soluţie cu apă împreună cu deşeuri şi coproduse

Distilare: separarea etanolului

Deshidratare: eliminarea resturilor de apă din etanol cu ajutorul sitelor moleculare

Prepararea co-produselor: uscarea pasatului pentru a fi folosit ca hrană pentru animale

Aceşti paşi din conversia biomasei în etanol depind în mare măsură de tipul de materie primă,

iar în Tabelul 2.2 sunt prezentate diferitele procedee de conversie în funcţie de materia primă

folosită.

Tabelul 2.2 Paşii de producţie a etanolului şi metodele de conversie

Tipul

materiei

prime

Materia

primă

Metoda de

recoltare

Conversia materiei

prime în zahăr

Sursa de

căldură pt.

proces

Conversia

zahărului în

alcool

Co-produse


AUTOMOBILE

24

Culturi zaharoase

trestie de

zahăr Se taie trestia

Zahărul se extrage prin zdrobire,

stoarcere, tratamente

chimice

Resturi de

trestie

Fermentare şi

distilarea alcoolului

Căldură, electricitate,

molasă

sfeclă de

zahăr

Se recoltează sfecla, frunzele

rămân pe câmp

Se extrage zahărul Combustibil

fosil

Fermentare şi distilarea

alcoolului

Hrană pt. animale,

fertilizator

Culturi cu amidon

grâu

Se recoltează partea bogată în

amidon,

tulpinile rămân pe câmp

Separarea amidonului,

măcinare, conversia

în zahăr prin aplicarea enzimelor

Combustibil fosil

Fermentare şi

distilarea

alcoolului

Hrană pt. animale

porumb

Se recoltează

partea bogată în

amidon, tulpinile rămân

pe câmp

Separarea

amidonului,

măcinare, conversia în zahăr prin

aplicarea enzimelor

Combustibil

fosil

Fermentare şi


Hrană pt. animale,

îndulcitor

cartofi

Se recoltează

cartofii,

frunzele rămân pe câmp

Spălare, zdrobire, coacere, separarea

amidonului,

conversia în zahăr prin aplicarea

enzimelor

Combustibil

fosil

Fermentare şi

distilarea

alcoolului

Hrană pt. animale,

utilizări industriale

Culturi

celulozice

arbori Se taie deasupra pământului

Conversia celulozei

în zahăr prin

hidroliză enzimatică

Lignin şi

exces de

celuloză

Fermentare şi

distilarea

alcoolului


hrană pt. animale, materiale bioplastice,

etc.

ierburi Se taie în

întregime

Conversia celulozei

în zahăr prin hidroliză enzimatică

Lignin şi

exces de celuloză

Fermentare şi


Căldură, electricitate, hrană pt. animale,

materiale bioplastice,

etc.

Biomasa din resturi

reziduuri agricole,

forestiere,

deşeuri municipale

Se colectează,

se recoltează, se

curăţă pt. a extrage

materialul bogat

în celuloză

Conversia celulozei

în zahăr prin

hidroliză enzimatică

Lignin şi

exces de

celuloză

Fermentare şi

distilarea

alcoolului


hrană pt. animale, materiale bioplastice,

etc.

(Sursa:(Rutz e Janssen, 2008))

a. Conversia zahărului în etanol

Biomasa care conţine zahăr cu 6 legături de carbon poate fi fermentată direct în etanol, astfel

cea mai simplă metodă de a produce etanol este conversia acestuia prin fermentarea

zahărului. Pentru fermentare se pot folosi ciuperci, bacterii şi microorganisme de fermentaţie,

dar cel mai utilizat ferment este Saccharomzces cerevisiae (drojdia de pâine). Teoretic, din

100 de grame de glucoză se vor obţine 51,4 grame etanol şi 48,8 grame de dioxid de carbon.

În Brazilia de exemplu, trestia de zahăr se foloseşte pentru a obţine etanol, la fel şi în

majoritatea ţărilor tropicale (Rutz e Janssen, 2008).

Ecuaţiile de fermetare a biomasei:

(C6H10O5)n + nH2O ―› nC6H12O6

nC6H12O6 ―› 2nCH3CH2OH + 2nCO2

În Figura 2.6 sunt prezentaţi paşii procesului de conversie a biomasei în etanol prin

fermentaţie (Klass, 1998).


AUTOMOBILE

25

Figura 2.6 Schema procesului de obţinere a etanolului prin fermentaţie alcoolică

b. Conversia amidonului în etanol

În Europa si în Statele Unite o mare cantitate de bioetanol se obţine din componentele

amidonoase din cereale, în principal porum şi grâu în Statele Unite şi grâu şi orz în Europa.

Moleculele de amidon sunt alcătuite din molecule de celuloză cu legături lungi care trebuiesc

sparte în molecule simple de glucoză (zaharificare). Astfel materialele amidonoase necesită

reacţia amidonului cu apa (hidroliză). În general hidroliza se efectuează mixând amidonul cu

apa pentru a forma un amestec tulbure care apoi se agită şi se încălzeşte pentru a rupe pereţii

celulari. Enzimele care rup legăturile chimice, se adaugă în timpul ciclului de încălzire.

Pentru fermentarea amidonului şi glucozei în etanol există organisme şi enzime disponibile

comercial. Procesul de conversie al amidonului în etanol este ilustrat în Figura 2.7.


AUTOMOBILE

26

Figura 2.7 Conversia amidonului în etanol (Rutz e Janssen, 2008).

În procedeul convenţional de conversie a amidonului în etanol se utilizează doar partea

amidonoasă a plantelor. Grăunţele de porumb, orz sau grâu reprezintă doar o mică parte din

totalul masic al plantei. Partea fibroasă a plantelor (tulpinile şi învelişul seminţelor) rămâne

neutilizată, iar cercetările în domeniul producerii etanolului celulozic se bazează tocmai pe

aceste resturi agricole pentru a crea zahăr fermentabil. În acest mod, procesul de producere a

etanolului poate deveni mai eficient, utilizânt toate părţile plantelor, nu doar zahărul sau

amidonul (Rutz e Janssen, 2008).

Pereţii grăunţelor trebuiesc mai întâi sparţi pentru expune polimerii de amidon procesului de

hidroliză din care va rezulta zahăr liber fermentabil. Drojdiile nu pot fermenta direct

polimerii. Polimerii de zahăr din grăunţele amidonoase conţin 10-20% amiloză solubilă în

apă fierbinte şi 80-90% amilopectină insolubilă. Ambele substanţe produc glucoză sau

maltoză prin hidroliză (Klass, 1998). O schemă detaliată a procesului de conversie a

amidonului din porumb în etanol este prezentată în Figura 2.8.


AUTOMOBILE

27

Figura 2.8 Schema procesului de conversie a amidonului din porumb în etanol

Eficienţa totală a conversiei microbiale a zaharurilor fermentabile în etanol este destul de

ridicată – peste 90% din zaharurile fermentabile sunt convertite în mod normal în etanol.

Dacă se ignoră cantităţile mici de zahăr folosite la dezvoltarea şi menţinerea structurilor

celulare, randamentul teoretic de etanol per mol de hexoză fermentată este de 51,14 masă %

de hexoză. Fermentarea etanolului din porumb, de exemplu, are un randament de 355 L/t de

porumb (Klass, 1998).

c. Conversia celulozei în etanol

Celuloza poate fi şi ea convertită în etanol, pe lângă zahăr şi amidon. Dar procesul de

conversie a biomasei celulozice în etanol este mult mai complicat faţă de fermentarea

zahărului sau conversia amidonului. Materialele celulozice sunt alcătuite din celuloză,

semiceluloză şi lignin, de aceea se numesc materiale lignocelulozice. Pentru a putea fi

fermentate şi convertite în etanol, materialele lignocelulozice trebuiesc mai întâi transformate

în zahăr cu 5 şi 6 legături de carbon.

Ligninul are ca principală funcţie să ofere plantei suport structural şi include în structura sa

moleculele de celuloză şi semiceluloză, făcând accesul la acestea foarte dificil. Ca şi

moleculele de amidon, moleculele de celuloză sunt alcătuite din molecule de glucoză cu

legături lungi, dar cu o configuraţie diferită a structurii chimice. Datorită acestor caracteristici

structurale şi din cauza faptului că ligninul încapsulează moleculele de celuloză, materialele

lignocelulozice sunt mult mai greu de hidrolizat decât materia primă amidonoasă.

Semiceluloza este alcătuită din molecule de zahăr cu legătură lungă. Compoziţia

semicelulozei diferă în funcţie de plantă, iar pentru fermentarea materialelor celulozice este

nevoie de organisme speciale. Bacteriile fermentează în minute spre deosebire pe drojdie care


AUTOMOBILE

28

fermentează în câteva ore.

Conversia celulozei în etanol se poate realiza prin trei procese de bază: hidroliză acidă,

hidroliză enzimatică şi procese termochimice, dar cel mai des utilizat este procesul de

hidroliză acidă cu utilizarea acidului sulfuric ca fiind cel ieftin (Rutz e Janssen, 2008).

Reacţia totală pentru hidroliza şi fermentaţia celulozei pure este

(C6H10O5)n + nH2O ―› n2CH3CH2OH + n2CO2

şi corespunde unui randament teoretic de etanol de 56,82 masă% de celuloză (Klass, 1998).

Tabelul 2.3 Randamente de zahăr, etanol şi lignin din biomasă pretratată

Biomasa Partea

din

plantă

Randament (t/ha-an)

Zahăr Etanol Lignin

(t/ha-an)

(t/t) (L/ha) (L/t) (t/ha-an)

(t/t)

Porumb Miez 14 11,5 0,82 4596 328 5,6 0,40 Biomasă 25 17,5 0,70 9150 366 1,76 0,07

Grâu Miez 3 2,2 0,73 1148 383 1,05 0,35 Biomasă 8,3 6,1 0,73 3486 420 1,00 0,12

Trestie de

zahăr

Suc 10,0 10,0 1,00 5600 560 Biomasă 30,4 27,4 0,90 16128 531 3,67 0,12

Plop

(Aspen)

18 14,8 0,82 7170 398 2,88 0,16

Brad

(Douglas)

8 6,1 0,76 3700 463 2,18 0,27

Eucalipt 48 39,5 0,82 24100 502 9,6 0,20 Sursa: (Klass, 1998)

d. Distilarea şi deshidratarea

Din fermentarea biomasei rezultă o soluţie de etanol în apă, iar pentru ca etanolul să poată fi

utilizat ca şi combustibil, trebuie eliminată apa. Distilarea este cea mai veche metodă de

eliminare a apei, dar puritatea este limitată la 95-96% din cauza formării unei soluţii

azeotrope apă-etanol. Lichidul azeotrop este un amestec de două substanţe care au aceeaşi

compoziţie în stare de vapori şi în faza lichidă când sunt distilate sau parţial evaporate la o

anumită presiune. Altfel spus, compoziţia acestui lichid azeotrop nu poate fi modificată prin

fierbere.

Prin distilare nu se poate obţine, deci, o puritate mai mare de 96%, dar pentru a putea fi

amestecat cu benzina, etanolul necesită o puritate de 99,5-99,9%, pentru a evita separarea. În

momentul de faţă, cea mai utilizată metodă de purificare este procesul de absorţie cu site

moleculare (Rutz e Janssen, 2008).

2.3.3. Syngas


AUTOMOBILE

29

Gazul de sinteză (en. syngas) este numele dat unui amestec care conţine diferite cantităţi de

monoxid de carbon şi hidrogen. Metodele de obţinere a syngas-ului includ reformarea cu

aburi a gazului natural sau a hidrocarburilor lichide pentru a produce hidrogen, gazeificarea

cărbunelui, biomasei sau a deşeurilor. Numele provine de la utilizările sale ca intermediar în

producerea gazului natural sintentic (en. Synthetic Natural Gas - SNG). Syngas-ul se

utilizează şi ca un intermediar în producţia petrolului sintetic prin sinteza Fischer-Tropsch

pentru a fi utilizat ca şi combustibil sau lubrifiant.

Avantajul gazeificării este acela că utilizarea syngas-ului este mai eficientă decât arderea

directă a combustibilului original, deoarece syngas-ul poate fi ars la temperaturi mai mari sau

chiar în celule de combustie, astfel că limita termodinamică superioară este mai mare sau nu

se aplică. Gazeificarea poate utiliza materiale care nu au altă utilitate precum biomasa sau

deşeurile organice. În plus arderea la temperaturi înalte elimină cenuşa corozivă precum clor

sau potasiu, permiţând obţinerea unui gaz purificat.

În mod normal, există trei tipuri de gazeificare a biomasei: piroliză, oxidare parţială şi

reformare. Dacă temperatura este suficientă, produsele primare rezultate în urma pirolizei

biomasei sunt gazele. Procesele de oxidare parţială sunt acelea care utilizează cantităţi de

oxigen mai mici decât valoarea stoichiometrică pentru o ardere completă, formându-se astfel

produse parţiale oxidate. Termenul de reformare a fost folosit iniţial pentru a descrie

conversia termică a fracţiunilor de petrol în produse volatile cu cifră octanică mare şi

reprezintă efectul total al reacţiilor simultane de cracare, dehidrogenare şi izomerizare.

Reformarea se mai referă şi la conversia vaporilor de hidrocarburi şi a compuşilor organici

evaporaţi în gaze cu conţinut de hidrogen, precum syngas-ul. Pentru cazul în care biomasa

este folosită ca materie primă, reformarea se referă la gazeificarea în prezenţa unor reactanţi.

Procesele de gazeificare a biomasei prin reformare sunt reformarea cu aburi (gazeificare cu

aburi, piroliză cu aburi) şi reformarea oxigen-aburi şi oxigen-aer. Procesele de reformare cu

aburi includ reacţiile dintre biomasă şi aburi şi dintre produsele secundare formate din

biomasă şi aburi. Gazeificarea aburi-oxigen sau aburi-aer a biomasei include arderea

resturilor de cărbune din gazeificator, a unei părţi din „product gas” sau a unei părţi din

biomasă pentru a furniza căldura necesară procesului. Procesele pot fi realizate cu sau fără

cataliză.

In condiţii ideale, în urma gazeificării biomasei prin piroliză, oxidare parţială sau reformare

sunt: monoxidul de carbon şi hidrogenul. În anumite condiţii se mai formează şi metan şi

vapori uşori de hidrocarburi. Conversia celulozei ca materie primă principală se face pe baza

următoarelor relaţii:

Piroliză: C6H10O5 ―› 5CO + 5H2 + C

Oxidare parţială: C6H10O5 + O2 ―› 5CO + CO2 + 5H2

Reformare cu aburi: C6H10O5 + H2O ―› 6CO + 6H2

Conţinutul energetic al gazului obţinut în urma gazeificării biomasei poate varia. Când există

contact direct între biomasă şi aer rezultă gaze cu conţinut energetic scăzut (3,92 – 11,78


AUTOMOBILE

30

MJ/m3). Gaze cu conţinut energetic mediu (11,78 – 27,48 MJ/m

3) se pot obţine prin utilizarea

oxigenului în gazeificatoare încălzite direct, sau în gazeificatoare încălzite indirect cu

utilizarea aerului şi când transferul de căldură intervine printr-un mediu solid inert. Când

condiţiile de gazeificare duc la formarea metanului şi a altor hidrocarburi uşoare, atunci apar

şi gazele cu conţinut energetic mare (27,48 – 39,26 MJ/m3).

Chimia gazeificării biomasei este foarte asemănătoare cu cea a gazeificării cărbunelui, în

sensul că ambele procese de descompunere termică au ca rezultat un amestec din aceleaşi

gaze esenţiale. Biomasa este însă mult mai reactivă decât cărbunii.(Huber, Iborra et al., 2006)

Biomasa conţine mai multe substanţe volatile decât cărbunii, gazeificarea se produce în

condiţii mai puţin stricte decât în cazul cărbunilor, iar gudronul pirolitic din biomasă este

mult mai reactiv decât cel din cărbuni. Echilibrul termodinamic al concentraţiilor de gaze

specifice din amestec depinde de cantităţile de carbon, hidrogen şi oxigen, temperatură şi

presiune. Ca şi în cazul gazeificării carbunilor, creşterea temperaturii tinde să scadă echilibrul

concentraţiilor de hidrogen şi monoxid de carbon, şi să crească concentraţiile de metan şi

dioxid de carbon. De asemeni, ca şi în cazul cărbunelui, formarea metanului este favorizată

de temperaturile scăzute, iar monoxidul de carbon şi hidrogenul sunt dominanţi la temperaturi

înalte. Biomasa se gazeifică la temperaturi mai scăzute decât cărbunele deoarece

componentele principale, celuloza şi semiceluloza bogate în oxigen sunt mai reactive decât

materialele carbonoase deficitare în oxigen. Dacă se adaugă coreactanţi la conversia

biomasei, precum oxigen sau aburi, se obţin modificări în rapoartele reacţiilor, în compoziţia

gazului şi randament, în selectivitate precum în conversia cărbunelui.

Biomasa conţine un procent mare de materii volatile de 70 – 90 % pentru lemn faţă de 30 –

54 % pentru cărbune. O fracţiune relativ mare din biomasă se poate devolatiliza rapid la

temperaturi moderate sau joase, iar compuşii organici volatili pot fi transformaţi în produse

gazoase. Căldura pentru piroliză se generază, de obicei, prin arderea combustibilului gazos

fie într-o cutie de ardere care înconjoară reacţia, fie în tuburi inserate în camera de reacţie. În

funcţie de compoziţia materiei prime, raportul de încălzire, temperatura de piroliză şi de

timpul petrecut în reactor se formează, în diferite cantităţi, gudron, smoală şi lichide uleioase,

gaze şi vapori de apă.

a. Piroliza

Piroliza reprezinţă descompunerea termică a biomasei, iar produsele primare obţinute în urma

pirolizei biomasei în condiţii normale de piroliză sunt gaz, ulei, gudron şi apă. (Huber, Iborra

et al., 2006) Apa se eliberează la uscarea biomasei în gazeificator şi este de asemeni un

produs al reacţiilor chimice care au loc, chiar şi în cazul biomasei complet uscate. Dacă nu

este rapid eliminată din reactor, această apă poate participa mai departe în proces impreună

cu apa adăugată sau cu aburii.

Căldura exotermică eliberată de gazeificarea biomasei lemnoase în anumite condiţii poate fi

suficientă pentru a elimina nevoia unei surse externe de căldură sau utilizarea oxigenului.

Unul din cele mai inovative procese de gazeificare a biomasei este sistemul în pat fludizat

(en. fluidized bed system) cu încălzire indirectă. Acest sistem foloseşte două reactoare cu


AUTOMOBILE

31

mişcare turbulentă a combustibilului, conţinând nisip ca mediu de transfer al căldurii.

Arderea gudronului format în reactorul de piroliză are loc cu ajutorul aerului în reactorul de

ardere. Căldura eliberată furnizează energia necesară procesului de piroliză a fracţiunilor

inflamabile din reactorul de ardere. Transferul de căldură este realizat printr-un flux de nisip

fierbinte din reactorul de ardere la 950 °C în reactorul de piroliză la 800 °C şi reîntoarcerea

nisipului în reactorul de ardere (Figura 2.9). (Klass, 1998)

Figura 2.9 Producerea de metan cu ajutorul unui sistem cu mişcare turbulentă

Acest sistem separă reacţiile de ardere şi piroliză şi păstrează azotul din aer separat de gazul

de piroliză. Rezultă un gaz de piroliză care poate fi imbunătăţit într-un gaz cu conţinut

energetic mare (SNG) prin schimbare, spălare şi metanare fără a ţine cont de separarea

azotului.

Dacă se utilizează ca biomasă plopul hibrid, gazul de piroliză obţinut conţine: monoxid de

carbon (38 % mol), dioxid de carbon (15 % mol), metan (15 % mol), hidrogen (26 % mol) şi

C2 (6 % mol). Acesta este un gaz cu conţinut energetic mediu cu puterea calorifică superioară

de 19,4 MJ/m3.

b. Oxidarea parţială

Multe dintre procesele de conversie termică pot fi clasificate ca procese de oxidare parţială în

care biomasa are nevoie de mai puţin decât cantitatea stoichiometrică de oxigen pentru o

ardere completă. Dacă se adaugă oxigen din aer, se formează gaze cu conţinut energetic

scăzut care conţin cantităţi mai mari de hidrogen, monoxid şi dioxid de carbon decât gazele

cu conţinut energetic mediu. Dacă se adaugă oxigen pur sau aer îmbogăţit cu oxigen atunci se

pot obţine gaze cu conţinut energetic mai mare. In anumite procese de oxidare parţială,

diferite reacţii chimice pot avea loc simultan în aceeaşi zonă a reactorului. În altele, reactorul

este divizat în mai multe zone: zonă de ardere care furnizează căldura pentru procesul de

material curs clubref - biomasa, ca, biodiesel, bioetanol

Documents