Sadržaj:

1. BIOGORIVA STANJE I PERSPEKTIVE……………………………………………………...…32. BIOMASA KAO OBNOVLJIVI IZVOR ENERGIJE………………………………………..…..43. PROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE, TOPLOTE I GORIVA UPOTREBOM

BIOMASE……………………………………………………………………………………….....53.1. SAGOREVANJE BIOMASE…………………………………………………….………53.2. DOBIJANJE BIOETANOLA…………………………………………………………….63.3. DOBIJANJE BIODIZELA………………………………………………………….……83.4. DOBIJANJE BIOGASA…………………………………………………………...……10

4. PROIZVODNJA BIOGASA IZ BIOMASE …………………………………………………….114.1. OSNOVE PROCESA PROIZVODNJE BIOGASA……………………………..…………114.2. VRSTE BIOMASE ZA PROIZVODNJU BIOGASA………………………………………124.3. POSTUPAK PROIZVODNJE BIOGASA………………………………………………….13

4.3.1. Glavni činioci procesa proizvodnje biogasa …………………………………..…….14- Temperatura………………………………………………………………………….14- pH vrednost …………………………………………………………..……………..16- Vreme zadržavanja materijala ………………………………………..……………..17- Nutritivni sastav sirovine…………………………………………………………….17- Biohemijska i hemijska potrošnja kiseonika ……………..…………………………18- Mešanje…………………………………………………...…………………………20

4.3.2. Primena aditiva i predtretmama …………………………………………………..21- Termički predtretmani………………………………………………………………21- Mehanički predtretmani…………………………………………………………….22- Hemijski predtretmani ………………………………………………………………22- Ultrazvučni predtretman …………………………………………………………….22- Bakterijska i enzimska hidroliza…………………………………………………….23- Dodatak metala ……………………………………………………………………..23- Inokulacija ………………………………………………………………………….23

4.4. TIPOVI POSTROJENJA ZA PROIZVODNJU BIOGASA……………………….……..234.4.1. Proizvodnja biogasa u domaćinstvima ……………………………………………234.4.2. Industrijska proizvodnja biogasa …………………………………………………25

4.5. PRERADA BIOGASA ……………………………………………………………………274.5.1. Uklanjanje vode……………………………………………………………………284.5.2. Uklanjanje ugljen-dioksida………………………………………………………..284.5.3. Uklanjanje H2S……………………………………………………………………284.5.4. Uklanjanje tragova gasova ……………………………………………….………29

4.6. SKLADIŠTENJE BIOGASA………………………………………………………..…….304.7. UPOTREBA BIOGASA…………………………………………………………………..30

5. ANALIZA REGULATIVA I STRATEGIJE O KORIŠĆENJU OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE………………………………………………………………………………………315.1. STANJE I REGULATIVE U SRBIJI O KORIŠĆENJU OBNOVLJIVIH IZVORA

ENERGIJE…………………………………………………………………………………315.1.1. Struktura proizvodnje OIE u Srbiji…………………………………………………315.1.2. Regulative o povećanju korišćenja OIE u Srbiji…………………………………….32

6. ZAKLJUČAK…………………………………………………………………………………….33LITERATURA…………………………………………………………………………………………….34

1. BIOGORIVA STANJE I PERSPEKTIVE

Nagli rast cena sirove nafte početkom 70-tih godina XX veka, usmerio je globalnu pažnju ka potrebi efikasnijeg korišćenja i pronalaženju novih izvora energije. Pored toga, razvijen je potpuno nov pristup proizvodnji i korišćenju energije u svetlu bezbednosti, posledica koje uzrokuje korišćenje (klimatske promene) određenih vrsta energenata i ekonomskog razvoja. Potrošnja energija raste dramatično u razvijenim zemljama. U zemljama OECD, potrošnja energije od 1985. godine je u stalnom porastu, dok je u ostalim zemljama rast potrošnje za 50% tokom svake dekade. Generalno, očekuje se da do 2030. godine potrebe za energijom porastu za više od 50% (slika 1).

Slika 1. Razvoj svetske potrebe za energijom do 2030. godine

U cilju savladavanja problema izazvanih stalnim porastom svetske populacije, brzog trošenja mnogih prirodnih izvora, rasta pritiska na okolinu i klimatskim promenama, Svet i Evropa moraju da korenito menjaju pristup proizvodnji, preradi, potrošnji, skladištenju, recikliranju i odlaganju bioloških izvora. Evropska strategija 2020 upućuje na bioekonomiju kao ključni element za održivi i “zeleni” razvoj regiona. Bioekonomija obuhvata održivu proizvodnju obnovljivih bioloških izvora i njihovu konverziju u hranu, biogoriva, bioenergiju i bioproizvode (npr. bioplastika, biopesticidi...). Ona obuhvata poljoprivredu, šumarstvo, ribarstvo, proizvodnju hrane i papira, kao i deo hemijske, biotehnološke i industrije energije. Ovaj sektor ima snažan inovacioni potencijal jer uključuje veliki broj nauka (prirodne nauke, agronomiju, ekologiju, prehrambene i socijalne nauke) i omogućuje razvoj tehnologija (biotehnologija, nanotehnologija, informacione i komunikacione tehnologije i inženjerstvo).

Napredak u prihvatanju inovacija i istraživanja u bioekonomiji omogućiće Evropi usavršavanje upravljanja obnovljivim biološkim izvorima i otvoriti nova i različita tržišta za bioproizvode. Uspostavljanje bioekonomije u Evropi pruža velike mogućnosti: održava i podstiče ekonomski rast u seoskim, priobalnim i industrijskim oblastima, smanjuje zavisnost od fosilnih goriva i unapređuje ekonomsku i ekološku održivost primarne proizvodnje i prerađivačke industrije. Napredak i razvoj tehnologija značajno komplikuju ekonomičnu proizvodnju, distribuciju i potrošnju svih vidova energije. S gledišta opstanka i razvoja čovečanstva, veoma je važno traganje za dopunskim energetskim resursima. Neobnovljivi izvori energije su čvrsta, tečna i gasovita goriva (osim drveta i biljne mase), kao i nuklearna goriva.

2

Obnovljivi izvori su energija vode, vetra, Sunca i biomase. Konvencionalni energetski resursi bazirani na fosilnim i drvnim gorivima se sve više iscrpljuju, dok nuklearna goriva nose rizik odlaganja otpada koji pri proizvodnji nastaje, zbog čega se nameće potreba za nalaženjem adekvatnog, ekonomičnog i pouzdanog načina za dobijanje energije. Proizvodnja obnovljive energije u Srbiji u 2010. godini iznosila je 55220 TJ, pri čemu najveći udeo ima hidroelektrična energija 78% (42808 TJ), zatim ogrevno drvo 22% (12188 TJ) i geotermalna energija sa manje od 1% (224 TJ).

Proizvodnja biogoriva se uglavnom odnosi na proizvodnju biodizela, bioetanola i biogasa. Biogas se proizvodi u mnogim zemljama, ali samo nekoliko njih ima razvijeni program proizvodnje biogasa. Tradicionalna mala porodična biogas postrojenja sve više se zamenjuju industrijskim postrojenjima za kogeneraciju toplote i energije. Kako se biogas može proizvesti tretiranjem otpada, na ovaj način se može rešiti problem odlaganja nepoželjnog materijala, pri čemu se proizvodi energija i poljoprivredno đubrivo uz zaštitu životne sredine. Glavna pokretačka snaga za povećanje proizvodnje biogasa nije samo energija već neophodnost rešavanja ekoloških i sanitarnih problema. Malo je verovatno da će biogas imati značajnu ulogu u transportu zbog značajnih ulaganja koja bi njegova primena podrazumevala, pre svega skladištenja u rezervoare pod pritiskom. Na ekonomskom nivou, biogas tehnologija može individualnim proizvođačima uštedeti dosta novca za energetske troškove. Na primer farma za mlečne proizvode koja koristi biogas tehnologiju može uštedeti hiljade dolara svake godine na električnoj energiji i zagrevanju.

2. BIOMASA KAO OBNOVLJIVI IZVOR ENERGIJE

Kao obnovljivi izvor za dobijanje goriva za proizvodnju električne i toplotne energije, biomasa predstavlja biorazgradivi deo proizvoda, otpada i ostataka biološkog porekla iz poljoprivrede (uključujući biljne i životinjske materije), šumarstva i povezanih industrija, kao i biorazgradivi deo industrijskog i komunalnog otpada.

Biomasa se može podeliti na primarne i sekundarne proizvode. Primarni proizvodi nastaju direktnim fotosintetskim korišćenjem sunčeve energije i uključuju biljne kulture i drvo, ostatke povrća, nusproizvode i otpad iz industrije, pre svega drvne i poljoprivredne. Sekundarni proizvodi indirektno koriste sunčevu energiju, nastaju razgradnjom ili konverzijom organske materije (npr. životinja) i obuhvataju celokupni plankton, stajnjak i kanalizacioni otpad.

Preradom različitih vrsta biomase najčešće se proizvode biogoriva koja se koriste za transport, u nekim industrijskim procesima, kao i za grejanje. U zavisnosti od sirovina od kojih se proizvode, razlikuju se četiri generacije biogoriva:

prva generacija biogoriva se proizvodi od skroba ili šećera iz kukuruza, pšenice, šećerne trske, šećerne repe i biljaka koje u sebi sadrže veći procenat skroba ili šećera (nedostatak prve genaracije biogoriva je negativan uticaj proizvodnje na cenu osnovnih životnih namirnica i ekonomiju zemlje),

druga generacija biogoriva se proizvodi od lignocelulozne biomase (drvo, iskorišćeni papir, trska i trava) i poljoprivrednih ostataka; proizvodnja druge generacije biogoriva je još uvek neefikasna za komercijalnu upotrebu, ali neke zemlje u velikoj meri ulažu u istraživanje i razvoj,

3

treća generacija biogoriva se proizvodi iz algi ili uljane repice, biljaka koje ne ugrožavaju zalihe hrane (produktivnost treće generacije biogoriva je oko 30 puta veća po jedinici površine zemljišta od prve ili druge generacije biogoriva) i

četvrta generacija biogoriva se proizvodi iz sirovina koje su genetski modifikovane tako da daju veće energetske prinose i/ili su im gradivni makromolekuli podložni ekonomičnoj razdradnji, a svojstveno im je i da apsorbuju veće količine ugljen-dioksida iz atmosfere.

3. PROIZVODNJA ELEKTRIČNE ENERGIJE, TOPLOTE I GORIVA UPOTREBOM BIOMASE

Proizvodnja energije bazirane na biomasi obuhvata postupke od sakupljanja biomase do konačnog snabdevanja energijom. Procesi prevođenja biomase u energiju mogu biti različiti, a u zavisnosti od željenog proizvoda neophodno je obezbediti odgovarajuće uslove za konverziju biomase. Kalorijska vrednost goriva se obično izražava preko gornje (Higher Heating Value-HHV) i donje toplotne moći goriva (Lower Heating Value – LHV). Gornja toplotna moć odgovara maksimalnoj potencijalnoj energiji koja se oslobađa tokom potpunog sagorevanja jedinice goriva. Donja toplotna moć goriva je ona količina toplote koja se oslobodi pri potpunom sagorevanju jedinice mase ili količine goriva, a da pri tom vodena para nastala pri sagorevanju ostane u parnom stanju u smeši produkata sagorevanja. U nekim literaturnim izvorima toplotna moć naziva se i toplotna vrednost. Pri korišćenju za sagorevanje i u ostalim termohemijskim procesima, najznačajnija karakteristika biomase je sadržaj vlage. Sadržaj vlage utiče na energetski sadržaj goriva i LHV. Razlika nastaje usled toplote isparavanja vode koja je prisutna u materijalu, a zavisi od hemijskog sastava goriva.

3.1. SAGOREVANJE BIOMASE

U zavisnosti od temperature i metode sagorevanja, sagorevanje biomase može dati različite proizvode. Karbonizacija biomase dovodi do stvaranja uglja, dok različiti načini pirolize uslovljavaju stvaranje različitih proizvoda.

Gasifikacijom se biomasa prevodi u gasne energente. U tu svrhu se dodaje gasifikacioni agens koji sadrži kiseonik (npr. vazduh) i vrši prevođenje ugljenika prisutnog u biogorivu. Gas koji nastaje je smeša CO, H2, CH4, CO2 i N2. Toplota koja je neophodna za ovaj process obezbeđuje se delimičnim sagorevanjem dela čvrste biomase. Upotreba nastalog gasa je najčešće u proizvodnji toplote ili električne energije pomoću gasnih turbina.

Karbonizacija predstavlja termohemijsku konverziju biomase, odnosno vrstu pirolize, sa ciljem dobijanja maksimalne količine čvrstih proizvoda. Tokom ovog procesa dolazi i do termičke razgradnje organske materije u biomasi. Potrebna količina toplote obezbeđuje se delimičnim sagorevanjem sirovine ili putem oslobođenih gasova. Nastala karbonizovana biomasa primarno se koristi za proizvodnju toplote.

Piroliza je termičko razlaganje materijala bez prisustva kiseonika ili u prisustvu male količine kiseonika, tako da je sprečeno potpuno sagorevanje biomase. Pri tome se dobijaju smeša gasova bogata ugljovodonicima, bio-ulje i čvrst ostatak bogat ugljenikom. Nastali tečni

4

proizvodi mogu se koristiti kao goriva u odgovarajućim motorima, za generisanje snage ili kogeneraciju snage i toplote. Direktno sagorevanje biomase vrši se na temperaturi oko 800°C u prisustvu vazduha i to bez prethodne obrade ili nakon formiranja peleta ili briketa. Kao rezultat nastaju vreli gasovi koji se najčešće koriste za grejanje.

3.2. DOBIJANJE BIOETANOLA

Bioetanol se dobija fermentacijom prostih šećera iz biomase. U EU bioetanol se može mešati sa gorivom u odnosu do 5% što je regulisano standardom EN228. Tako niski sadržaji zahtevaju ograničenje sadržaja vode kako bi se izbeglo izdvajanje faze etanola i benzina iz smeše. Prednosti upotrebe bioetanola ogledaju se u tome što je manje toksičan i bolje biorazgradiv, a njegova tržišna cena ne zavisi od cene nafte. Osim toga, korišćenje bioetanola pruža mogućnost kogeneracije i niže emisije gasova staklene bašte. Negativna strana upotrebe bioetanola je u lošoj održivosti nekih izvora biomase, nepovoljnom energetskom bilansu, nedovoljnoj efikasnosti mikroorganizama koji vrše fermentaciju, higroskopnoj prirodi tečnosti i većoj potrošnji goriva.

Kao sirovine za proizvodnju bioetanola mogu se koristiti različiti ugljenohidratne sirovine opšte formule (CH2O)n . Sirovine se mogu podeliti u tri grupe: šećerne (šećerna repa, šećerna trska, sirak, voće itd.), skrobne (kukuruz, pšenica, pirinač, krompir, kasava, slatki krompir, ječam itd.) i lignocelulozne (drvo, poljoprivredni viškovi, gradski otpad itd.). Šećerne sirovine se mogu direktno razgraditi delovanjem mikroorganizama i ne zahtevaju prethodnu pripremu, dok skrobne i lignocelulozne sirovine moraju biti podvrgnute predtretmanima. Šećerne i skrobne sirovine predstavljaju sirovine prve generacije koje se mogu koristiti za ishranu ljudi i životinja. Zbog toga, sve se više pažnje posvećuje upotrebi sirovina druge generacije u koje spada lignocelulozna biomasa. Tečna goriva koja se proizvode iz obnovljivih lignoceluloznih izvora pružaju nekoliko pogodnosti: niže cene sirovina, povećanje obradivih površina predviđenih za poljoprivredne useve namenjene ishrani ljudi i životinja, manju upotrebu fosilnih goriva. Lignocelulozne sirovine obuhvataju poljoprivredne ostatke (otpaci od šećerne trske, kukuruzovina, slama od pšenice, pirinča i ječma, ljuske od pirinča, koštice od maslina itd.), drvo (jasika, topola, omorika, smrča), celulozni otpad (stari papir, kaša od recikliranog papira itd.), biljnu biomasu (lucerka i ostalo krmno bilje) i čvrst komunalni otpad. Poslednjih godina za proizvodnju bioetanola se koriste i alge, hitin ili različiti industrijski nusproizvodi. Lignocelulozna biomasa se sastoji iz celuloze, hemiceluloze i lignina. Celuloza i hemiceluloza se mogu hidrolizovati do fermentabilnih šećera, dok to nije slučaj sa ligninom. Celuloza čini 40–50% suve mase drveta. To je homopolisaharid sastavljen od molekula β-D-glukopiranoze povezanih (1,4)-glikozidnim vezama. Molekuli celuloze su linearni, a stepen polimerizacije varira od sirovine do sirovine.

Hemiceluloze pripadaju grupi heteropolisaharida i čine 15–30% suve mase drveta. Hemiceluloze mekog i tvrdog drveta, iako različite strukture i sastava, hidrolizuju se do monomera: glukoze, manoze, galaktoze, ksiloze, arabinoze i malih količina ramnoze, glukuronske, metil-glukuronske i galakturonske kiseline. Većina hemiceluloza ima stepen polimerizacije oko 200. Hemiceluloze se uglavnom rastvaraju u alkalijama tako da se mogu lakše hidrolizovati. Drvo ima visok sadržaj lignina koji je sastavljen iz fenilpropanskih jedinica. Hemijske veze između lignina, hemiceluloze i celuloze su estarske, etarske i glikozidne. Etarske veze su stabilnije u poređenju sa estarskim vezama između lignina i ugljenih hidrata. Ove veze

5

čine lignin izuzetno otpornim prema hemijskoj i enzimskoj razgradnji, dok biološku razgradnju omogućuju gljive i određene aktinomicete.

Proces proizvodnje bioetanola iz lignocelulozne biomase obuhvata sledeće faze: mehaničko uklanjanje nečistoća i sitnjenje biomase, predtretman (metode zavise od vrste sirovine), razdvajanje čvrste i tečne faze (saharizovana hemiceluloza se odvaja od fibroznog materijala koji sadrži celulozu i lignin), hidroliza celuloze pomoću enzima celulaze u cilju dobijanja glukoze, fermentacija, destilacija pri čemu se dobija etanol (koncentracije oko 96% v/v) i čvrst ostatak od

lignina i mrtvih ćelija kvasaca (može se koristiti za proizvodnju energije sagorevanjem ili kao stočna hrana) i dehidratacija (zaostala voda se uklanja iz destilata kako bi se dobio anhidrovani etanol).

Efikasni metod predtretmana mora da omogući očuvanje pentoza koje su prisutne u hemiceluloznoj frakciji, ograničenu količinu proizvoda razgradnje lignina, minimalnu potrošnju energije i upotrebu jeftinih materijala i metoda. Predtretmani se mogu podeliti na fizičke, hemijske i biološke (tabela 1). Primena određenog predtretmana zavisi od vrste sirovine, a naročito je značajna jer ova faza predstavlja najskuplji korak u proizvodnji bioetanola.

Tabela 1. Predtretmani lignocelulozne biomaseMetod predtretmana Primeri

Fizički Mlevenje, primena mikrotalasa i ultrazvuka, termohemijskiprocesi, ekstruzija

Hemijski Alkalni predtretman, tretman organskim rastvaračima,superkritičnim fluidima, tretiranje sa SO2, vlažna oksidacija,ozonoliza

Biološki Mikrobiološki i enzimski predtretmani

Nakon predtretmana, neophodna je hidroliza u cilju oslobađanja fermentabilnih šećera. Da bi se maksimizovalo oslobađanje šećera, hemicelulozna frakcija se podvrgava slabo kiseloj hidrolizi ili enzimskoj celulolizi. Jedan od mogućih načina hidrolize je tretiranje hemicelulozne frakcije rastvorom H2SO4, 0,7% na 190°C tokom 3 min ili H2SO4, 0,4% na 215°C tokom 3 min. Primena kiseline veće koncentracije može se obaviti na nižoj temperaturi (40°C), ali tokom dužeg vremenskog perioda (2-6 h). Glavni nedostatak kisele hidrolize je formiranje hemijskih jedinjenja koja mogu imati inhibitorni uticaj na ćelije kvasca.

6

Enzimska hidroliza je dosta povoljniji, ali i značajno skuplji postupak. Enzimska hidroliza celuloze se odvija pri pH vrednosti 4,8 i temperaturi 45-50°C dejstvom enzima koji se dobijaju iz bakterija (Cellulomonas fumi, Clostridium thermocellum, Bacteroides cellulosolvens) ili gljiva (Trichoderma reesei). Skrobne sirovine se takođe moraju podvrgnuti postupku hidrolize koji se poslednjih godina najčešće odvija primenom enzima α-amilaze čije se delovanje ogleda u raskidanju α- D-(1,4)-glukozidnih veza. Proces se sastoji iz dve faze: likvefakcija i saharifikacija. U prvoj fazi dolazi do smanjenja viskoznosti suspenzije usled delimične hidrolize skroba do kompleksnih šećera (dekstrina).

Druga faza se odvija uz korišćenje enzima glukoamilaze, pri čemu se kao krajnji proizvod dobija glukoza. Za razliku od lignoceluloznih i skrobnih, šećerne sirovine ne zahtevaju prethodnu obradu, već se direktno podvrgavaju mikrobiološkoj fermentaciji. Fermentacija šećera se najčešće izvodi pomoću kvasaca Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces uvarum i Shizosaccharomyces pombe, iako se u pojedinim slučejevima mogu koristiti i bakterije Zymomonas mobilis, Clostridium sporogenes i Thermoanaerobacter ethanolicus. Proces se odvija u fermentorima pod anaerobnim uslovima uz teorijski prinos od 0,51 kg etanola po kilogramu fermentisane glukoze. Realni prinos zavisi od vrste šećera koji se fermentiše, vrste mikroorganizama i primenjenih procesnih uslova (pH, temperatura, mešanje, koncentracija šećera u podlozi, prisustva ostalih nutrijenata neophodnih za rast proizvodnog mikroorganizma, prisustvo inhibitornih supstanci u podlozi itd.). Pri dobro optimizovanim uslovima procesa, postiže se prinos etanola od 90-95% u odnosu na teorijski. Izdvajanje etanola iz fermentacione smeše vrši se destilacijom i rektifikacijom, pri čemu se dobija etanol koncentracije oko 96%.

Ova koncentracija etanola je neprihvatljiv kvalitet za korišćenje kao gorivo. Propisi koji važe u Srbiji zahtevaju minimalni sadržaj od 99,6% v/v etanola. Dobijanje anhidrovanog etanola vrši se primenom azeotropne destilacije, adsorpcije ili membranske tehnologije.

3.3. DOBIJANJE BIODIZELA

Biodizel je sastavljen od metil estara masnih kiselina i dobija se transesterifikacijom triglicerida iz biljnog ulja ili životinjske masti. Glavne fizičke karakteristike i kvalitet biodizela je vrlo sličan konvencionalnom dizel gorivu. Postupak dobijanja biodizela prikazan je na slici 3, a odvija se u nekoliko faza:

mešanje alkohola i katalizatora, reakcija transesterifikacije, separacija, ispiranje biodizela, uklanjanje alkohola, neutralizacija glicerola i određivanje kvaliteta proizvoda

Kao sirovine za proizvodnju biodizela mogu se koristiti različite vrste biljnih ulja (uljane repice, suncokreta, soje, palme i sl) ili kombinacije pomenutih ulja. Ulazna sirovina mora da zadovolji određene zahteve vezane za karakteristike ulja, sadržaj slobodnih masnih kiselina, fosfora i nerastvorljivih materija. Postupak proizvodnje se zasniva na reakciji transesterifikacije (Slika 2).

7

Slika 2 - MEMK – metil estri masnih kiselina (biodizel)

Biljna ulja se mogu tranesterifikovati zagrevanjem sa velikim viškom anhidrovanog metanola u prisustvu katalizatora. Reakcija transesterifikacije može biti katalizovana bazama, kiselinama ili enzimima. Najčešće se koriste alkalni katalizatori, i to natrijum-hidroksid ili kalijum-hidroksid. Biljno ulje, katalizator i alkohol se mešaju u zatvorenom reaktoru uz održavanje temperature iznad tačke ključanja alkohola (oko 71°C) kako bi se ubrzala reakcija. Preporučeno vreme odvijanja reakcije je 1-8 h, a optimalno reakciono vreme je oko 2 h. Da bi se obezbedila potpuna konverzija lipida u estre, količina alkohola mora biti u višku. Nakon završetka reakcije dobijaju se dva glavna proizvoda: glicerol i biodizel koji se razdvajaju u separatoru. S obzirom da obe frakcije sadrže veliku količinu metanola, neophodno je njegovo uklanjanje.

Pri bazno katalizovanoj transesterifikaciji trigliceridi i alkohol moraju biti anhidrovani jer prisustvo vode dovodi do stvaranja sapuna. Saponifikacija smanjuje prinos estara i otežava separaciju estara i glicerola. Takođe, prisustvo vode, naročito na višim temperaturama može dovesti do hidrolize triglicerida do diglicerida i formiranja slobodnih masnih kiselina. Slobodne masne kiseline, kao što je oleinska, mogu reagovati sa alkalnim katalizatorom prevodeći ga u formu sapuna i čineći ga nepogodnim za ubrzavanje reakcije transesterifikacije. Nakon odstranjivanja metanola, vrši se neutralizacija zaostalog katalizatora i ispiranje i dehidratacija biodizela. Pre upotrebe u dizel motorima neophodno je izvršiti kontrolu kvaliteta dobijenog biogoriva. Glicerol se nakon separacije takođe podvrgava neutralizaciji katalizatora i odvajanju metanola.

8

Slika 3 - Šematski prikaz procesa proizvodnje biodizela

3.4. DOBIJANJE BIOGASA

Biogas se proizvodi procesom koji se naziva anaerobna digestija ili degradacija. Anaerobna digestija je biološki proces u kome se organski ugljenik prevodi oksidoredukcionim procesima u najviši stepen oksidacije (CO2) i najviši stepen redukcije (CH4). Ovaj proces uzrokuje veliki broj mikroorganizama u odsustvu kiseonika. Pri procesu se dobija biogas kao smeša gasova: metan 55-75%, ugljen-dioksid 25-45%, vodonik sulfid 0- 1%, azot 0-2%, vodonik 0-1%, vodena para 0-2%, amonijak 0-2%, kiseonik 0-0,5%. Sastav i prinos biogasa variraju u zavisnosti od sirovina koje se koriste i od tehnoloških uslova procesa.

Proces anaerobne digestije, osim što dovodi do nastanka biogasa, predstavlja efikasn metod tretiranja otpada koji nudi značajne prednosti u odnosu na ostale oblike tretmana otpada:

proizvodi se manje mulja u odnosu na tehnike koje koriste aerobne procese, uspešno se tretiraju i otpadi koji sadrže manje od 40% suve materije, efikasniji je u otklanjanju patogena, minimalna je emisija neprijatnih mirisa jer se 99% isparljivih komponenti oksidativno

razlaže pri sagorevanju (na primer, H2S formira SO2), visok stepen slaganja sa mnogim nacionalnim strategijama za smanjenje biorazgradivog

otpada i ostatak (mulj) koji se dobija koristi se za poboljšanje plodnosti zemljišta.

9

4. PROIZVODNJA BIOGASA IZ BIOMASE

4.1. OSNOVE PROCESA PROIZVODNJE BIOGASA

Proces proizvodnje biogasa se odvija u zagrejanim, zatvorenim tankovima bez prisustva vazduha (digestorima) kako bi se stvorili uslovi za fermentaciju organskog materijala. U digestoru se moraju obezbediti odgovarajuća temperatura i dobro mešanje. Postoje dva tipa anaerobne digestije: mezofilna i termofilna.

Pri mezofilnoj digestiji, digester se zagreva na 30-35°C, a smeša ostaje u digestoru obično 15-30 dana. U odnosu na termofilnu, mezofilna digestija je jednostavnija u smislu organizovanja postupka, ali se proizvodi manje gasa, potrebni su veći tankovi i, ukoliko je potrebno vršiti dezinfekciju, ona se mora obaviti kao posebna faza u procesu (slika 4).

Slika 4 - Šema mezofilnog postrojenja za proizvodnju biogasa sa dva reaktora, razmenjivačem toplote i naknadnom termofilnom dezinfekcijom IT – izmenjivač toplote

Digestor se pri termofilnoj digestiji zagreva na 55°C, a za procesje potrebno oko 12-14 dana. U odnocu na mezofilni n arm, dolazi do veće produkcije metana i efikasnijeg uništavanja patogena i virusa, ali zahteva skuplju tehnologiju, veću potrošnju energije i veći stepen praćenja procesa. Tokom ovog procesa, 30–60% digestibilnih čvrstih materija se prevodi u biogas (slika 5).

Slika 5 - Šema termofilnog postrojenja za proizvodnju biogasa sa dva reaktora i razmenjivačem toplote IT – izmenjivač toplote

10

Anaerobna digestija se, pored pomenutih termofilnih i mezofilnih temperatura, može odvijati i pri psihrofilnim temperaturama (ispod 20 °C), ali zbog male brzine procesa ovaj opseg n armance se veoma retko primenjuje. Ukoliko je temperatura biomase ispod 15°C, proizvodnja biogasa nije ekonomična. Proces anaerobne digestije odvija se u tri faze:

U prvoj fazi (hidroliza), organske materije se razlažu pod dejstvom ekstracelularnih enzima. Bakterije raskidaju duge lance složenih ugljenih hidrata, proteina i lipida na manje molekule. Na primer, polisaharidi se prevode u monosaharide, a proteini se razlažu na peptide i aminokiseline.

Acidogene bakterije u drugoj fazi (kiselinska faza), prevode proizvode razgradnje iz prve faze (fermentabilne monomere) u sirćetnu kiselinu, vodonik i ugljen-dioksid. Ove bakterije su fakultativni anaerobi i mogu rasti u uslovima niske pH vrednosti. Za proizvodnju kiseline neophodni su kiseonik i ugljenik, tako da ove bakterije troše rastvoreni ili vezani kiseonik čime se stvaraju anaerobni uslovi neophodni za odvijanje treće faze. Takođe, metaboličkom aktivnošću acidogenih bakterija nastaju alkoholi, organske kiseline, proces je moguć samo uz dovođenje energije jer acidogene bakterije zahtevaju energiju za odvijanje ovih reakcija.

U trećoj, metanogenoj fazi, metanogene bakterije dalje razlažu jedinjenja male molekulske mase. Na primer, one koriste vodonik, ugljen-dioksid i sirćetnu kiselinu kako bi formirale metan i ugljen-dioksid. Metanogene bakterije su obligatni anaerobi i veoma su osetljive na promene u okolini. Za razliku od acidogenih i acetogenih bakterija, metanogene bakterije pripadaju arheabakterijama, grupi bakterija sa veoma heterogenom morfologijom i određenim biohemijskim i biološkim svojstvima po kojima se razlikuju od ostalih bakterijskih rodova. Metanogene i acidogene bakterije deluju u simbiozi. S jedne strane, acidogene bakterije stvaraju uslove koji su neophodni metanogenim bakterijama (anaerobni uslovi, jedinjenja male molekulske mase), dok s druge strane, metanogene bakterije koriste proizvode metabolizma acidogenih bakterija i sprečavaju, na taj način, nastajanje uslova koji su toksični za acidogene bakterije.

4.2. VRSTE BIOMASE ZA PROIZVODNJU BIOGASA

Sirovine za proizvodnju biogasa može biti različita vrsta industrijskih otpadnih materija, poljoprivredni otpaci, izmet domaćih životinja i ljudi, kultivisana biomasa nastala prečišćavanjem otpadnih voda, kanalizaciona voda…. Sastav i prinos biogasa varira u zavisnosti od opotrbljenih sirovina. Tako, sadržaj metana u biogasu dobijenom iz kokošjeg đubriva i otpadnih voda sa farmi kanalizacionih otpadnih voda može dostići 70%, dok iz slame i drugog biljnog materijala dostiže oko 55% (tabela 2). Koncentracija H2S u biogasu dobijenom iz kokošjeg đubriva i melase može biti oko 4000 mg/m3. Kombinovanjem različitih vrsta otpada, na primer stajnjaka i organskog industrijskog otpada može se dobiti veći prinos biogasa. Osim povećanja prinosa, lako ragradive materije mogu stabilizovati proces anaerobne digestije.

Poljoprivredni otpad (slama, seno, kukuruz, trska itd.) treba da bude u fazi raspadanja kako bi se olakšao protok kroz digestor i povećala efikasnost bakterijskog delovanja. Korišćenjem svežih biljnih sirovina dobija se veća količina gasa u odnosu na upotrebu suvih materijala.

11

Skladištenje otpadnog materijala u zatvorenom prostoru preko 10 dana inicira anaerobno delovanje bakterija, što smanjuje vreme potrebno da se u digestoru postignu radni uslovi.

Tabela 2 - Prinos metana i biogasa pri upotrebi različitih vrsta sirovinaSirovina Udeo metana

(%)Prinos biogasa

(m3/t sveže mase)

Tečni stočni stajnjak 60 25Tečni svinjski stajnjak 65 28

Ostatak nakon destilacijealkohola

61 40 40

Stočni stajnjak 60 45Svinjski stajnjak 60 60Kokošije đubrivo 60 80

Repa 53 88Organski otpad 61 100

Kineska šećerna trska 54 108Stočna repa 51 111

Senaža 54 172Silaža kukuruza 52 202

4.3. POSTUPAK PROIZVODNJE BIOGASA

Proces proizvodnje biogasa se sastoji obično iz tri glavne faze: priprema biološke sirovine, razgradnja i tretman ostataka, pri čemu je osnovni uslov konstantna temperaturai pH vrednost između 6,5 i 7,5. Na slici 6 su prikazane osnovne faze u proizvodnji biogasa. Organski materijal se najpre sakuplja u tanku pred-skupljanje i mešanje (slika 6, br. 2), gde se obavlja mešanje i homogenizacija različitih fermentabilnih materijala. Nakon pasterizacije na 70°C (slika 6, br. 3), kojom se uništavaju sve bakterije negativne po proces fermentacije, materijal se prebacuje u anaerobni digestor (slika 6, br. 4). U slučaju prestanka rada postrojenja (na primer, redovan servis), kao i u slučaju veće proizvodnje gasa, višak ili zaostali gas se sagoreva na gasnoj baklji (slika 6, br. 5).

12

Slika 6 - Opšta šema postupka proizvodnje biogasa

Kako bi se osiguralo stalno snabdevanje gasom, nezavisno od dotoka sirovine, proizvedeni biogas se skuplja u gasnom rezervoaru (slika 6, br. 7), odakle se zatim prosleđuje u gasni motor (slika 6, br. 8). Toplota koja se stvara tokom rada motora, može da se preko izmenjivača toplote (slika 6, br. 9) iskoristi za zagrevanje. Na ovaj način, iz gasne smeše, ulja, rashladne vode i izduvnih gasova postrojenja moguće iskoristiti oko 50% ulazne sirovine za toplotnu energiju.

4.3.1. Glavni činioci procesa proizvodnje biogasa

Najvažniji činioci koji utiču na proces proizvodnje biogasa su temeratura, pH i hemijski sastav sirovine, kao i primenjena tehnika mešanja supstrata.

Temperatura

Činilac okoline koji najznačajnije utiče na bakterijski rast tok procesa digestije je temperatura. Brzina rasta mikroorganizama se povećava sa povećanjem temperature do određene granice, nakon čega dolazi do naglog smanjenja rasta kako se temperature približava vrednosti koja je ograničavajuća za preživljavanje bakterija. Osim uticaja na brzinu rasta mikroorganizama, temperatura utiče i na a fizičke parametre, kao što su viskoznost, površinski napon i prenos mase.

Povećanje temperature pruža određene prednosti, kao što su veća rastvorljivost organskih jedinjenja, povećanje brzine biohemijskih i hemijskih reakcija, kao i povećano odumiranje patogenih i neželjenih mikroorganizama. Međutim, primena viših temperature (termofilni uslovi) ima i negativne uticaje jer dovodi do povećanja sadržaja slobodnog amonijaka koji inhibira rast mikroorganizama.

Kao posledica egzotermne razgradnje ugljenih hidrata u toku fermentacije, dolazi do samozagrevanja sadržaja digestora do temperature od 35-39 °C do 42-49 °C u zavisnosti od tipa bioreaktora. U cilju sprečavanja prekomernog rasta temperature, potrebno je promeniti sastav ulazne smeše, smanjiti brzinu punjenja digestora ili ugraditi rashladni sistem.

13

Struktura mikrobiološke populacije u bioreaktorima sa termofilnim i mezofilnim temperaturnim režimima je veoma različita. Promena sa mezofilnih na termofilne temperature (ili obrnuto) može dovesti do naglog smanjenja produkcije biogasa usled kvalitativne i kvantitativne promene populacije mikroroganizama. Čak i male promene temperature, na primer od 35 na 30 °C ili od 30 na 32 °C, smanjuju brzinu produkcije biogasa. Tokom šaržne fermentacije biljnog otpada i drveta, degradacija masnih kiselina je brža na 55°C nego na 38°C. Pri termofilnim uslovima, prinos od 95% metana se ostvari za 11 dana, dok je u mezofilnim uslovima za isti učinak potrebno 27 dana. Postoje podaci da je korišćenjem kombinacije procesa na različitim temperaturnim režimima, povećana efikasnost produkcije biogasa. Tako, poređenje dvofaznih konfiguracija postupaka proizvodnje biogasa mezofilni-mezofilni, mezofilni-termofilni i termofilni-termofilni pri tretiranju otpadaka od krompira, pokazano je da je prinos metana veći ako se u drugoj fazi koriste mezofilni uslovi. S duge strane, termofilni uslovi u drugoj fazi obezbeđuju kraće vreme odvijanja procesa. Takođe, pokazano je da digestori sa mezofilnim uslovima daju veću brzinu degradacije materijala u odnosu na termofilne uslove.

Izbor temperature koja će se koristiti za proizvodnju biogasa zavisi od spoljne temperature, odnosno klimatskih uslova sredine u kojoj je smešten digestor. Tako, u toplim klimatskim područjima digestori mogu da rade bez dodatnog dovođenja toplote. U cilju postizanja stabilnosti procesa, temperatura se mora pažljivo regulisati u veoma uskom optimalnom opsegu. Često se digestori za proizvodnju biogasa ukopavaju u zemlju kako bi se iskoristile izolaciona svojstva zemljišta. Dozvoljena odstupanja temperature koje nemaju uticaj na processu za mezofilni opseg ±1 °C/h, a za termofilni ± 0,5 °C/h.

U tabeli 3 su prikazane optimalne temperature za rast nekih metanogenih bakterija. Temperatura koja je optimalna za rast metanogenih bakterija ne mora uvek biti optimalna i za ostale procese koji se odvijaju tokom anaerobne digestije, kao što su hidroliza i kiselinska faza. Zbog toga, vrlo često se koriste višefazni digestori koji omogućavaju odvijanje različitih faza procesa u zasebnim tankovima, pri čemu su u svakom tanku različiti uslovi temperature.

Tabela 3 - Optimalne temperature za rast nekih metanogenih bakterijaTemperaturni opseg Rod metanogenih bakterija Optimalna n armance (°C)

Mezofilni Methanobacterium 37-45Methanobrevibacter 37-40

Methanosphaera 35-40Methanolobus 35-40

Methanococcus 35-40Methanosarcina 30-40

Methanocorpusculum 30-40Methanoculleus 35-40Methanogenium 20-40Methanoplanus 30-40

Methanospirillum 35-40Methanococcoides 30-35

Methanolobus 35-40Methanohalophilus 35-45

Termofilni Methanohalobium 50-55Methanosarcina 50-55

14

pH vrednost

Svaka grupa mikroorganizama ima različit optimum pH vrednosti za svoj rast. Metanogene bakterije su veoma osetljive na pH sredine i optimum im je između 6,5 i 7,2. Ukoliko je vredost pH manja od 6,2, sredina će imati toksičan efekat na rast metanogenih bakterija. Ostali potrebni mikroorganizmi prisutni u toku proizvodnje biogasa (mikroorganizmi prve i druge faze) manje su osetljivi i funkcionišu u opsegu pH između 4,0 i 8,5, pri čemu na nižim vrednostima pH uglavnom proizvode sirćetnu i buternu kiselinu, dok pri pH 8,0 proizvode sirćetnu i propionsku kiselinu. Isparljive masne kiseline koje nastaju tokom anaerobne digestije ssmanjuju pH vrednost sredine. Ovom smanjenju je suprotstavljena aktivnost metanogenih bakterija koje povećavaju pH produkcijom ugljen-dioksida, amonijaka i bikarbonata. pH sistema se kontroliše puferskim efektom ugljen-dioksid/bikarbonat i amonijak/amonijum jon. Promena pH vrednosti u toku fermentacije zavisi od vrste materijala koji se koristi kao sirovina. Na slici 7 je prikazana zavisnost pH od vremena zadržavanja u bioreaktoru sa čvrstom fazom za nekoliko vrsta materijala. Generalno, pH se brzo smanjuje na početku procesa kada se organske materije hidrolizuju i prevode u masne kiseline. Nakon početnog smanjenja, pH vrednost počinje postepeno da se povećava zbog transformacije masnih kiselina. Pri fermentaciji čvrstog gradskog otpada, pH nakon početnog perioda smanjenja, stalno raste usled smanjenja sadržaja isparljivih kiselina, dok fermentacija kombinovanog otpada daje nižu vrednost pH i duže vreme zadržavanja u digestoru.

Slika 7 - Zavisnost pH vrednosti od vremena zadržavanja za nekoliko vrsta sirovina

15

Vreme zadržavanja materijala

Vreme zadržavanja materijala u digestoru ili retenciono vreme može se tačno definisati samo za šaržne procese. U toku primene kontinualnih procesa za prozvodnju biogasa, srednje vreme zadržavanja se određuje kao količnik zapremine digestora i brzine dodavanja novog materijala za digestiju. U zavisnosti od geometrije suda, mešanja i drugih faktora, efektivno retenciono vreme može varirati u širokom intervalu za različit sastav i vrstu supstrata. Na primer, za fermentaciju tečnog kravljeg stajnjaka retenciono vreme je 20-30 dana, za tečni svinjski stajnjak treba 15-20 dana, a za životinjski stajnjak u kombinaciji sa biljnim materijalom treba 50-80 dana . Ukoliko je vreme zadržavanja previše kratko, ispiranje bakterija iz digestora je brže nego njihova brzina rasta tako da praktično dolazi do zastoja u fermentaciji. Ovaj problem se retko javlja u poljoprivrednim biogas sistemima. Uticaj retencionog vremena na efikasnost razgradnje ispitivana je, uglavnom na laboratorijskom nivou i pokazano je da:

vreme zadržavanja čvrstog sadržaja koje je kraće od 5 dana nije dovoljno za stabilnu digestiju (koncentracija masnih kiselina se povećava usled ispiranja metanogenih bakterija),

koncentracija masnih kiselina je još uvek relativno velika nakon 5-8 dana (dolazi do nepotpune razgradnje komponenata, posebno lipida),

stabilna digestija se postiže nakon 8-10 dana (niska koncentracija masnih kiselina, počinje razgradnja lipida) i

razgradnja se stabilizuje nakon više od 10 dana zadržavanja čvrstog sadržaja u bioreaktoru.

Nutritivni sastav sirovine

Na tok procesa proizvodnje biogasa veliki uticaj ima nutritivni sastav sirovine. Pored organskih materija, mikroorganizmima digestije su za rast neophodne i mineralne materije. Osim ugljenika, kiseonika i vodonika, rast mikrobiološke biomase zahteva i odgovarajuće snabdevanje azotom, sumporom, fosforom, kalijumom, kalcijumom, magnezijumom i elemenatima u tragovima, kao što su gvožđe, mangan, molibden, cink, selen, nikl, itd, a svi moraju biti prisutni u usvojivom obliku. Supstrati, kao što su poljoprivredni otpaci ili gradski otpad obično sadrže dovoljne količine pomenutih elemenata. Visoke koncentracije pojedinih supstanci mogu imati inhibitorni efekat, tako da se preporučuje hemijska analiza sastava svakog pojedinačnog supstrata kako bi se utvrdilo da li i u kolikoj meri treba korigovati sadržaj i dodati određene nutritijente.

Za stabilno odvijanja procesa proizvodnje biogasa važan je odnos ugljenika i azota. Pokazano je da odnos C/N između 25 i 32 ima pozitivan efekat na prinos metana. Pri niskimvrednostima odnosa C/N prisutan je višak azota koji nije neophodan za umnožavanje biomase, što dovodi do usporavanje metanogeneze. S druge strane, previše veliki odnos C/N dovodi do nedostatka azota za umnožavanje biomase. Odnos C/N se može podešavati kombinovanjem sirovina sa niskim sadržajem ugljenika i visokim sadržajem azota, ili obrnuto.

16

Anaerobno tretiranje otpadnih voda sa visokim koncentracijama sumpora može dovesti do inhibicije metanogeneze usled formiranja vodonik-sulfida. Koncentracije ukupnog vodonik-sulfida od 100 do 300 mg/l ili slobodnog vodonik-sulfida od 50 do 150 mg/l izazivaju inhibiciju rasta biomase koja dovodi do potpunog prekida proizvodnje biogasa.

Prisustvo teških metala, antibiotika i deterdženata može imati inhibitorni efekat naprocesproizvodnje metana. U tabeli 4 prikazana su limitirajuće koncentracije različitihinhibitora.

Jedan od najčešćih inhibitora u procesu anaerobne digestije je amonijak. On može poticati od rastvorenog amonijaka ili nastati usled razgradnje proteinai drugih sastojaka (npr. urea). Mnogi supstrati često sadrže amonijak u koncentraciji koja je toksična. Nivo amonijaka koji je inhibitoran za rast bakterija zavisi od parametara, kao što su pH, temperatura i adaptacija inokuluma. Utvrđeno je da je za inhibiciju odgovoran nejonizovani oblik amonijaka koga ima u većim količinama na većim vrednostima pH. Zbog toga, snižavanje vrednosti pH smanjuje količinu slobodnog amonijaka i inhibiciju digestije.

Tabela 4 - Limitirajuće koncentracije (mg/l) različitih inhibitora

Supstanca Koncentracija(mg/l)Bakar 10-250

Kalcijum 8000Natrijum 8000

Magnezijum 3000Nikl 100-1000Cink 350-1000Hrom 200-2000

Sulfid (kao sumpor) 200Cijanid 2

Biohemijska i hemijska potrošnja kiseonika

Biohemijska potrošnja kiseonika (BPK) predstavlja količinu kiseonika koju iskoriste mikroorganizami za razgradnju organskih materija u supstratu na 20°C. Stepen razgradnje zavisi od temperature, a proces se sastoji iz dve faze. U prvoj fazi se uglavnom razgrađuju karbonilna jedinjenja (šećeri, masti, itd), a BPK merena u ovoj fazi naziva se karbonilna BPK. Ova faza traje oko 15 dana. U drugoj fazi se razgrađuju azotna jedinjenja (proteinski materijali, aminokiseline, amonijak). Ovaj proces se često naziva nitrifikacija jer se kao krajnji proizvod formiraju nitrati. Hemijska potrošnja kiseonika (HPK) je mera stepena razgradnje supstrata. Za određivanje HPK skoro sve karbonilne komponente se razlažu na ugljen-dioksid i vodu dejstvom jakog oksidacionog sredstva (kalijum-dihromata), nakon čega se meri potrošnja kiseonika.

17

Ispitivanje HPK različitih vrsta otpada (slika 8) pokazalo je da su vrednosti HPK visoke u početku procesa, nakon čega dolazi do njihovog smanjenja. Kodigestija otpada nakon čišćenja pamuka i kravljeg stajnjaka ima najveće početne vrednosti HPK zbog visokog sadržaja organskih materija u smeši. Otpad sa visokom HPK i niskim sadržajem azota, kao što su otpadne vode pri preradi maslina, ne može se sam podvrgnuti degradaciji, već je potrebno povećanje sadržaja azota ili kodigestija sa otpadima koji imaju manji odnosa C/N.

Slika 8 - HPK za različite tipove napojnih smeša

18

Mešanje

Cilj mešanja supstrata u procesu anaerobne digestije je obezbeđivanje prenosa organskih materija do aktivne biomase, omogućavanje uniformnost temperature, oslobođanje mehurova gasa iz materijala i sprečavanje taloženja materijala veće gustine (raslojavanje). Mešanje nije uvek kontinualno, već se sprovodi nekoliko puta dnevno ili nekoliko puta na sat uz utrošak energije od 10 do 100 Wh/m3, što se omogućava odabirom tipa reaktora i konstrukcijom mešalice, kao i sadržajem čvrstih materija u napojnoj smeši. Mešanje se može obavljati na tri različita načina (slika 9).

Slika 9 - Tipovi mešanja u digestoru(a) spoljašnje, recirkulacija pumpanjem; (b) unutrašnje, mehaničko mešanje; (c) unutrašnje,

recirkulacija gasa

Usled podizanja gasnih mehurova i toplotne konvekcije uvek postoji određeni stepen prirodnog mešanja u digestoru. Međutim, ovo mešanje je nedovoljno tako da je neophodno dodatno mešanje. Metode za obezbeđivanje pomoćnog mešanja su eksterna recirkulacija pumpanjem, unutrašnje mehaničko mešanje i unutrašnje mešanje gasom (slika 9). Pri spoljašnjoj recirkulaciji pumpanjem (slika 9a), velika količina fermentacione tečnosti se povlači iz centra digestora i pumpa kroz spoljašnje razmenjivače toplote u kojima se meša sa svežom tečnošću i zagreva. Nakon toga, upumpava se nazad u digestor kroz raspršivače u osnovi ili na vrhu digestora kako bi se razbila pena. Brzina toka pri recirkulaciji mora biti veoma velika kako bi se obezbedilo potpuno mešanje što ograničava upotrebu ovog tipa mešanja. Minimalna snaga koja je potrebna je 0,005–0,008 kW/m3 zapremine digestora i može biti veća ukoliko su izraženi gubici.

19

Drugi nedostaci ovakvog mešanja su moguće začepljenje pumpe, oštećenja impelera čvrstom fazom i otkazivanje ležajeva. Mehanički sistemi za unutrašnje mešanje (slika 9b) koriste mešalice sa ravnim lopaticama koje mogu biti postavljene na vrhu ili na stranama digestora. Unutrašnje mešanje pomoću gasa (slika 9c) je uspešan metod za mešanje sadržaja digestora i izbegavanje stvaranja pene. Sistemi za mešanje mogu biti zatvoreni i otvoreni. Sadržaj digestora se meša prolaskom mehurova oslobođenog gasa kroz tečnost. Ovaj sistem je efikasan u sprečavanju raslojavanja. Protok gasa za ovakve sisteme je 0,0045–0,007 m3/m3 min.

4.3.2. Primena aditiva i predtretmama

Primena anaerobne digestije na čvrste supstance biološkog porekla često je ograničena zbog dugog vremena zadržavanja (20-30 dana) i niske efikasnosti razgradnje čvrstih organskih materija (30-50 %). Ovi ograničavajući činioci su, uglavnom povezani sa fazom hidrolize. Tokom hidrolize ćelijski zid biljnog materijala se razara, pri čemu se oslobađaju ćelijske komponente koje na taj način postaju dostupne acidogenim mikroorganizmima. Nekoliko autora je pokazalo da je hidroliza limitirajuća faza u anaerobnoj digestiji otpadnog mulja. Predtretmani napojnih smeša mogu povećati proizvodnju biogasa, smanjiti sadržaj isparljivih supstanci i povećati rastvorljivost. Naročito su korisni u digestiji napojnih smeša sa visokim sadržajem celuloze ili lignina. Za predtretman otpada mogu se koristiti različiti postupci koji uključuju mehaničko, toplotno, hemijsko i biološko delovanje. Dodavanje aditiva može povećati brzinu produkcije biogasa u reaktoru, ali njihovi dodatni troškovi moraju biti u ravnoteži sa konačnim poboljšanjem efikasnosti.

Termički predtretmani

Termički tretman otpadnog aktivnog mulja pre digestije dokazao se efikasnim još 70. godina XX veka. Aktivni mulj se podvrgava temperaturama u opsegu 150-200 °C i odgovarajućem pritisku u opsegu 600-2500 kPa. Toplota koja se primenjuje tokom termičkog predtretmana raskida hemijske veze ćelijskog zida i membrane, olakšavajući na taj način rastvaranje ćelijskih komponenti. Različita proučavanja su pokazala pozitivan uticaj termičkog predtretmana na anaerobnu digestiju, ali se optimalni uslovi i granice poboljšanja znatno razlikuju. Temperatura i trajanje optimalnog toplotnog predtretmana zavisi od tipa otpada, na primer otežana hidroliza bioloških materija zahteva jači intenzitet predtretmana. Termički predtretman aktivnog otpadnog mulja može značajno povećati proizvodnju metana pri mezofilnoj anaerobnoj digestiji i u manjem stepenu pri termofilnoj. Neki komercijalni procesi proizvodnje biogasa bazirani su na termičkom predtretmanu. Tako, Norveška kompanija Cambi je razvila sistem baziran na termičkoj hidrolizi. Termičkim tretmanom na 180°C u trajanju od 30 minuta rastvori se oko 30 % čvrstih supstanci, a na ovaj način ostvareno povećanje prinosa biogasa iznosi 150 %.

Termohemijski tretmani koji predstavljaju kombinaciju toplote i hemikalija se čestokoriste sa ciljem smanjenja veličine čestica ili povećanja rastvorljivosti. Međutim, termički predtretmani zahtevaju dovođenje značajne količine energije što povećava cenu dobijenog biogasa.

20

Mehanički predtretmani

Mehanički predtretman obuhvata nekoliko načina fizičke dezintegracije ćelija i delimično rastvaranje njihovog sadržaja. Najčešće se koriste različite vrste mlinova, kao što su koloidni, mlin sa kuglama i sl. Jedna od metoda koje se često koristi je homogenizacija pod visokim pritiskom (60 Mpa). Suspenzija se, najpre komprimuje, a zatim se pritisak smanjuje propuštanjem kroz ventil, pri čemu su ćelije izložene turbulenciji, kavitaciji i naponu smicanja što dovodi do njihove dezintegracije. Povećanje efikasnosti anaerobne digestije primenom ovih metoda je relativno nisko u poređenju sa ostalim metodama predtretmana. Mlevenjem i usitnjavanjem se smanjuju veličine čestica supstrata i na taj način se može uticati na brzinu anaerobne digestije. Naime, smanjivanjem veličina čestica se utiče na dostupnost supstrata biološkim agensima (mikroorganizmima i enzimima), a što je posebno značajno za biljne materijale. Postoje podaci da se degradacijom biljnih vlakana i smanjenjem čestica sa 100 mm na 2 mm, povećava prinos biogasa za 16%.

Hemijski predtretmani

Hemijski predtretmani se sastoje u tretiranju sirovine različitim hemijskim agensima u cilju hidrolize ćelijskog zida i membrane, kao i povećavanja rastvorljivosti organskih supstanci prisutnih u ćelijama materijala. Razvijene su različite hemijske metode bazirane na različitim operativnim principima. Dve najznačajnije grupe hemijskih predtretmana su:

Kisela i alkalna hidroliza se sastoji u dodavanju kiseline ili baze kako bi se hidrolizovao materijal. Alkalni tretmani su naročito pogodni za digestiju biljnog materijala. Dodatkom kiseline ili baze izbegavaju se visoke temperature, pa se ovi postupci najčešće odvijaju na nižim i srednjim temperaturama. U kontinualnim reaktorima alkalni tretmani mogu dovesti do smanjenja stepena degradacije acetate i glukoze usled nastajanja toksičnih komponenti tokom reakcije saponifikacije. Ograničenja ove metode su u tome što dolazi do ekstremnih pH vrednosti pa se otpad mora naknadno neutralizovati.

U procesu oksidativne razgradnje materijala često se koristi kiseonik ili vazduh na visokim temperaturama (260 °C) i pritiscima (10Mpa). Međutim, ovakav način predtretmana stvara problem sa neprijatnim mirisom, korozijom i visokim energetskim troškovima. Među najčešće korišćene metode oksidacije spadaju ozonizacija i peroksidacija koje su bazirane na stvaranju hidroksil radikala koji predstavlja izuzetno jako oksidaciono sredstvo. Ovi radikali se najčešće stvaraju upotrebom vodonikperoksida u kombinaciji sa solima prelaznih metala. Skorija istraživanja otvaraju i mogućnost upotrebe alternativnih peroksidanata kao što su peroksimonofosfat i dimetiloksiran.

Ultrazvučni predtretman

Ultrazučni predtretman se najčešće koristi za razgradnju kompleksnih polimera u tretiranju otpadnog mulja. Produkcija metana se povećava do 34% u poređenju sa netretiranim muljem. Ovo je najsnažniji metod za razgradnju ćelija mulja. Iako se primenom veće snage može postići potpuna dezintegracije ćelija, potrošnja električne energije u tom slučaju, postaje značajan nedostatak.

21

Bakterijska i enzimska hidroliza

Predtretman enzimskom hidrolizom još uvek nije dovoljno ispitan, iako neki literaturni podaci pokazuju veoma značajno povećanje u proizvodnji biogasa primenom biološke hidrolize. Biološka hidroliza se zasniva na enzimski katalizovanim reakcijama razgradnje ćelijskog zida. Prednost postupka je mogućnost izvođenja procesa na sobnim temperaturama. Aktivnost intracelularnih enzima mogu povećati proizvodnju metana za 60% kada se kao sirovina koristi sirovi otpadni mulj.

Dodatak metala

Dodatak određenih metala napojnoj smeši povećava produkciju biogasa. Efikasno uklanjanje propionata pri visokim nivoima isparljivih masnih kiselina u termofilnom reaktoru bez mešanja zahteva dodavanje Ca, Fe, Ni i Co. Anaerobna kodigestija stajnjaka i krompirovog otpada pokazuje povećanu proizvodnju biogasa pri dodatku teških metala. Ove metale mikroorganizmi koriste za sintezu ćelijskih enzima. Tako, na primer, nikl se nalazi u enzimskom kompleksu acetil-CoAdekarboksilaza/sintetaza koji ima značajnu ulogu u konverziji acetata do metana.

Inokulacija

Ukupno vreme potrebno za izvođenje procesa može se smanjiti inokulacijom (zasejavanjem), to jest kada se materijal iz procesa digestije koji sadrži aktivne ćelije koristi za započinjanje novog procesa sa svežom sirovinom. Mnogi kontinualni postupci koriste metod inokulacije svežeg materijala digestovanim materijalom ili tečnom frakcijom iz reaktora smanjujući, na taj način, ispiranje mikroorganizama. Na primer, pri inokulaciji svinjskog otpada aktivnim digestovanim materijalom u kombinaciji sa kokošijim izmetom, primećeno je povećanje produkcije biogasa za oko 30%. Prednost inokulacije ogleda se u stalnoj proizvodnji biogasa tokom početnog perioda stabilizacije procesa.

4.4. TIPOVI POSTROJENJA ZA PROIZVODNJU BIOGASA

Proizvodnja biogasa u domaćinstvima

Postoje različiti tipovi postrojenja za proizvodnju biogasa iz relativno male količine otpadnog materijala, na primer u domaćinstvima. Na slici 10 prikazani su najjednostavniji tipovi koji su, uglavnom nekomercijalni.Postrojenje sa plutajućim rezervoarom (slika 10A) čine podzemni digestor i pokretni sakupljač gasa koji pluta ili direktno u fermentacionoj tečnosti ili u sopstvenom vodenom omotaču. Gas se sakuplja u gasnom rezervoaru koji se spušta ili podiže u zavisnosti od količine gasa. Prednosti ovog tipa postrojenja su u jednostavnosti izvođenja postupka, jednostavnoj konstrukciji i konstantnom pritisku gasa. Nedostaci su veća cena u odnosu na ostale tipove i podložnost koroziji.Postrojenja sa fiksiranom kupolom (slika 10B, C) se sastoje od digestora sa nepokretnim sakupljačem gasa na vrhu digestora. Kada počne proizvodnja gasa, deo tečnosti se premešta u kompenzacioni tank i pritisak gasa se povećava sa povećanjem njegove zapremine usled razlike

22

nivoa tečnosti u digestoru i kompenzacionom tanku. Prednosti su relativno niska cena i odsustvo pokretnih delova. Podzemno montiranje štedi prostor i štiti digestor od temperaturnih promena. Nedostaci ovog tipa postrojenja su česti problemi koji mogu nastati usled curenja gasa iz sakupljača, tako da se preporučuju samo tamo gde mogu biti nadgledani od strane iskusnih tehničara. Takođe, pritisak gasa znatno varira u zavisnosti od njegove zapremine.Balonska postrojenja (slika 10D) se sastoje od digestorske vreće koja se nalazi u gornjem delu i u kojoj se sakuplja gas. Prednosti ovih postrojenja su u niskoj ceni, lakom transportu, jednostavnoj konstrukciji, lakoći čišćenja, pražnjenja i održavanja. Jedna od varijacija ovog tipa postrojenja je kanalski tip digestora koji je najčešće pokriven plastičnim prekrivačem. Balonska postrojenja se preporučuju svuda gde ne postoji opasnost od oštećivanja balona i gde je temperatura sredine visoka i bez većih promena.

Slika 10 - Jednostavna biogas postrojenja postrojenje sa plutajućim rezervoarom (A), postrojenje sa fiksiranom kupolom (B),

postrojenje sa fiksiranom kupolom i odvojenim sakupljačem gasa ©, balonsko postrojenje(D), kanalski tip digestora (E)

23

Industrijska proizvodnja biogasa

Pri industrijskoj proizvodnji biogasa, anaerobna digestija se odvija u zagrejanim zatvorenim kontejnerima bez vazduha koji stvaraju idealne uslove za bakterijsku fermentaciju organskih materijala. Kako bi se stvorili idealni uslovi za konverziju organskih materija u metan, u digestorima se mora obezbediti dobro zagrevanje i mešanje. Odgovarajući dizajn i povećanje razmere anaerobnih reaktora zahteva poznavanje korelacija između konfiguracije i efikasnosti procesa.

Osnovni zahtevi koji moraju biti ispunjeni pri projektovanju anaerobnih digestora je: obezbedeđivanje i održavanje stalnog snabdevanja organskim materijalom, kratko hidrauličko retenciono vreme (minimizira zapreminu reaktora) i proizvodnja maksimalne zapremine metana. Pri konstruisanju reaktora mora se uzeti u obzir efikasno mešanje i gubici toplote. Podzemni reaktori se lakše konstruišu u vidu kocke, ali to može dovesti do problema sa mešanjem koje će biti ograničeno u uglovima, što smanjuje efektivnu zapreminu digestora.

Postoji nekoliko tipova reaktora koji su danas u upotrebi, a konstrukcija zavisi od vrste sirovine koja se anaerobno razrađuje. Od tri najznačajnija tipa reaktora, najednostavniji je šaržni reaktor. Ovaj reaktor se napuni napojnom smešom i ostavi određeni period koji predstavlja hidrauličko retenciono vreme, nakon čega se reaktor prazni. Drugi tip predstavljaju jednofazni kontinualni napojni sistemi u kojima se sve biohemijske reakcije odvijaju u jednom reaktoru. Treći tip su dvofazni reaktori u kojima se procesi odvijaju odvojeno.

Digestori za čvrsti otpad se dele na “mokre” i “suve”. “Mokri” bioreaktori se koriste za materijal sa maksimalnim sadržajem ukupnih čvrstih materija od 16%, dok „suvi” bioreaktori sadrže između 22% i 40% ukupnih čvrstih supstanci. Postoje i reaktori za rad sa sirovinom čiji sadržaj suve materije je između navedenih, pa se nazivaju „polu-suvi”.

Tehnologija „suvih” reaktora se, uglavnom koristi za čvrst gradski otpad i otpade od povrća, a manje za fermentaciju stajnjaka. U Evropi se koriste ”mokri” i ”suvi” tipovi jednofaznih reaktora. Sadržaj ukupnih čvrstih supstanci manji od 16% je tipičan za mnoge vrste stajnjaka čiji visoki sadržaj vode zahteva veću ukupnu zapreminu bioreaktora u poređenju sa ”suvim” i ”polu-suvim” reaktorima. Ukoliko se ”mokri” reaktori koriste za tretman suvih napojnih smeša, pre digestije je neophodan predtretman. Upotreba sveže ili reciklirane procesne vode da bi se dobilo manje od 15% ukupnog čvrstog sadržaja ima prednosti u tome što će prisutni inhibitori metanogeneze biti razblaženi, ali to isto tako može dovesti do njihovog brzogširenja kroz bioreaktor ukoliko je razblaženje nedovoljno.

Kako su čvrsti otpadi manje podložni digestiji od onih sa manjim sadržajem čvrstih supstanci, često se koristi metod kodigestije, pri čemu se mešaju dve različite vrste otpada. Tako se, na primer, gradski otpad može mešati sa stajnjakom ili sa otpadnim muljem, pri čemu se u mnogome olakšava proces digestije i povećava prinos biogasa. Na ovaj način se čvrst otpad, umesto u suvom može tretirati u mokrom reaktoru.

Osim procesa kodigestije, u mokre digestione sisteme spada i Waasa proces čija je glavna karakteristika postojanje zona u glavnom reaktoru. Waasa proces se koristi za različite vrste otpada sa sadržajem čvrstih materija od 10 do 15 %. Prvu zonu čini pretkomora unutar glavnog reaktora. Mali deo digestata se meša sa svežom napojnom smešom da bi se ubrzao proces inokulacije. Ovaj proces se koristi u Švedskoj, Japanu i Holandiji.

24

U mnogim slučajevima, naročito u ekonomski razvijenim državama, teško je naći drugi otpad za kodigestiju sa gradskim otpadom, pa se koriste suvi digestioni sistemi. Valorga process (slika 11) spade u “polu-suve“ procese. Razvijen je u Francuskoj i sastoji se u mešanju otpada nakon predtretmana sa recikliranom procesnom vodom. Reaktor radi u mezofilnom režimu sa potpunim mešanjem koje se ostvaruje pomoću komprimovanog biogasa.

Slika 11 - Šematski prikaz Valorga procesa

Dranco proces (slika 12) je suvi proces digestije za tretiranje organske frakcije gradskog otpada. Sastoji se iz predtretmana otpada i potom njegovog mešanja sa recirkulišućim materijalom iz bioreaktora. Mešanje otpada sa velikom količinom digestata obezbeđuje inokulaciju ulaznog materijala. Ovaj proces se koristi u Belgiji, Austriji i Nemačkoj.

Slika 12 - Šemat ski prikaz Dranco procesa

Kompogas proces je razvijen u Švajcarskoj. Reaktor je horizontalni cilindar koji radi u termofilnom režimu sa hidrauličnim retencionim vremenom od 15 dana.

Višefazni sistemi razdvajaju procese hidrolize/acidifikacije i acetogeneze/metanogeneze jer ove dve faze nemaju iste optimalne uslove. Višefazni reaktori su najčešće dvofazni. Oni mogu povećati stabilnost procesa u poređenju sa jednofaznim sistemima naročito kada se radi o napojnim smešama koje se lako hidrolizuju. Nestabilnost može biti izazvana promenama brzine organskog punjenja, različitim sastavom otpada ili prisustvom inhibitora. Materijal koji prelazi iz prve u drugu fazu je homogenizovan i time stabilniji. Međutim, višefazni sistemi imaju bolje karakteristike od jednofaznih, ali su skuplji za izgradnju i održavanje.

25

Na primer, pri poređenju digestije stajnjaka u jedno- i dvofaznom termofilnom reaktoru, utvrđeno je da dvofazni reaktori imaju 6-8 % veći prinos metana i 9 % efikasnije uklanjanje isparljivih komponenti u odnosu na jednofazni reaktor. Pri digestiji gradskog otpada u dvofaznom reaktoru uočeno je povećanje od 21 % u prinosu metana u odnosu na jednofazni sistem.

BTA proces (slika 13) je razvijen u Nemačkoj i spada u višefazne sisteme anaerobne digestije. Proces se sastoji od predtretmana kojim se obezbeđuje stvaranje pulpe sa oko 10 % čvrstih materija. Pulpa se upumpava u puferski tank u kome dolazi do acidifikacije. Sadržaj reaktora za acidifikaciju se dalje prebacuje na centrifugiranje gde se odvaja voda. Tečna frakcija se prebacuje u reaktor sa biofilmom, a frakcija sa nerastvorenim materijalom se meša sa procesnom vodom i napaja kontinualni reaktor sa mešanjem, gde se odvija dalja hidroliza i acidifikacija. Iz otpadne vode iz kontinualnog reaktora se ponovo odvaja voda i tečna frakcija se uvodi u biofilm reaktor na metanizaciju pod mezofilnim uslovima.

Slika 13 - Šematski prikaz BTA procesa

4.5. PRERADA BIOGASA

Glavni razlozi za preradu gasa leže u ispunjavanju zahteva koji su vezani za njegovu upotrebu, povećanje energetske vrednosti ili standardizaciji njegovog kvaliteta. Željeni kvalitet zavisi od primene, kao što se može videti u tabeli 5.

Tabela 5 - Komponente biogasa koje je potrebno ukloniti

Primena H2S CO2 H2O Tragovi

Zagrevanje (bojler)

<1000 ppm Ne Ne Da(npr, siloksani)

Kombinovanaproizvodnja

toplote ielektricne energije

<1000 ppm NeIzbeći

kondenzaciju

Da(npr, siloksani)

Gorivo za vozila Da Da Da DaGasovod Da Da Da

26

Uklanjanje vode

Biogas koji napušta digestor je zasićen vodenom parom. Kako je za sagorevanje neophodan suvi biogas, potrebno je najpre ukloniti vodenu paru. Za uklanjanje vode koristi se hlađenje sa ili bez prethodne kompresije. U cilju postizanja manjeg sadržaja vode u gasu koristi se adsorpcija na silika gelu ili Al2O3, kao i apsorpcija u glikolu ili higroskopnim solima.

Uklanjanje ugljen-dioksida

Uklanjanje ugljen-dioksida povećava toplotnu vrednost goriva i daje postojani kvalitet gasa. Postoje različiti načini uklanjanja, a najčešće se koriste apsorpcija i adsorpcija. Kriogena separacija je takođe jedna od metoda, ali je dosta skupa. U poslednje vreme se povećava interes za membransku separaciju. Pri izboru metode za uklanjanje CO2, veoma je važno da gubici metana budu što manji iz ekonomskih i ekoloških razloga.

Pri apsorpciji, CO2 i H2S se simultano uklanjaju zbog razlika u jačini veza polarnih molekula CO2 i H2S u odnosu na nepolarni CH4. Najčešće se kao rastvarač koristi voda. Projektovanje sistema zavisi od rastvorljivosti CO2 koja zavisi od pritiska, temperature i pH. Rastvorljivost CO2 u vodi raste sa porastom pritiska, a opada sa porastom temperature. Jedan deo sumpora se može akumulirati u vodi, pa može izazvati probleme sa korozijom cevovoda, zbog čega se preporučuje uklanjanje H2S pre CO2. Rezultati pokazuju da u biogasu ostaje 5- 10 % CO2.

Naravno, apsorpcija može biti skoro potpuna ako se za uklanjanje koristi rastvor Ca(OH)2 koji CO2 i H2S prevodi u nerastvorni CaCO3 i CaS. Organski rastvarači, kao što su polietilenglikol, monoetanolamin ili dietanolamin se mogu takođe koristiti, a zaostala količina CO2 iznosi 0,5 do 1%. Postupak je, međutim, skuplji i neophodno je periodično odbacivanje i zamena rastvarača.

Pored toga, uklanjanje CO2 se može vršiti adsorpcijom na čvrstim supstancama kao što je aktivni ugalj ili na molekulskim sitima. Proces je jednostavan, ali skup i sa visokim zahtevima za toplotom. Kriogena separacija se može koristiti za uklanjanje CO2 jer CH4 ima tačku ključanja −160 °C na pritisku od 1 atm, dok CO2 ključa na −78 °C. CO2 se može ukloniti kao tečnost hlađenjem smeše biogasa i može se dobiti metan čistoće 97%. Membranska separacija je jedna od metoda koja danas privlači sve veću pažnju. Postupak zahteva visoke pritiske, do 25 bara, a mogući su i gubici metana. Osim pomenutih tehnika ispituje se mogućnost primene hemijske konverzije i obogaćivanja CH4.

Uklanjanje H2S

Važno je napomenuti da odgovarajuće tretiranje mulja pri anaerobnoj digestiji može smanjiti sadržaj H2S u biogasu. Dodatak Fe3+ soli može smanjiti slobodni H2S, ali višak ovih soli može inhibirati stvaranje biogasa. H2S se može adsorbovati na aktivnom uglju koji prevodi H2S u elementarni S. Mikroorganizmi koji pripadaju rodu Acidothiobacillus mogu se koristiti za smanjenje nivoa sulfida u biogasu oksidujući ga do sumpora ili sulfata. Ove bakterije se najčešće nalaze u digestivnom materijalu i ne moraju se dodavati. Za biološku desulfurizaciju neophodno je dodati kiseonik u količini koja zavisi od koncentracije H2S. Najjednostavniji metod je dodavanje vazduha direktno u digestor.

27

Ovom metodom nivo H2S se može smanjiti i do 95 %. Količina uklonjenog H2S ovom metodom je različita i zavisi od temperature, dodate količine vazduha i reakcionog vremena. Biološka desulfurizacija se najčešće odvija u posebnom reaktoru (slika 14). Reaktor se sastoji iz poroznog punjenja na kome imobilisani mikrorganizmi, raspršivača koji omogućuju ispiranje kiselih proizvoda sa punjenja i odvoda koji mora sadržati tečnost velike alkalnosti i neophodne nutritijente. Proces se odvija na 35 °C i pokazao se veoma efikasnim uz uslov da je ubrizgano dovoljno vazduha i da se pH odvoda održava na 6 ili više. Količina H2S se takođe može smanjiti pomoću NaOH pri čemu se formiraju nerastvorne soli Na2S ili NaHS.

Slika 14 - Šematski prikaz uklanjanja H2S

Uklanjanje tragova gasova

Prisustvo siloksana u biogasu može dovesti do problema vezanih za toplotnu vrednost biogasa. Ove komponente koje sadrže silikon, koriste se u velikom broju proizvodnih procesa. Tokom anaerobne digestije, siloksani se oslobađaju i isparavaju tokom razgradnje organskih materija. Tokom sagorevanja biogasa, siloksani se prevode u mikrokristale koji mogu dovesti do ozbiljnog oštećenja površine motora. Metode koje se najčešće koriste za njihovo uklanjanje su adsorpcija na aktivnom uglju, apsorpcija u neisparljivim organskim rastvaračima i kriogena kondenzacija. Ispituje se i upotreba hemijske hidrolize i peroksidnog tretmana.

28

4.6. SKLADIŠTENJE BIOGASA

Komprimovanje biogasa smanjuje potrebe prostora za skladištenjem, koncentriše sadržaj energije i povećava pritisak. U tabeli 6 su prikazani načini skladištenja biogasa koji se najčešće koriste.

Tabela 6 - Različiti načini skladištenja biogasa

Pritisak Uređaj za sladištenje MaterijalNizak (0.14-0.41bar) Sakupljač gasa ČelikNizak Gasna vreća Guma, plastikaSrednji (1.05-1.97 bar) Propan ili butan tank ČelikVisok (200 bar) Komercijalni gasni cilindri Legure

4.7. UPOTREBA BIOGASA

Upotreba biogasa sve se više povećava iz sledećih razloga: cene goriva se sve više povećavaju, čine se značajni napori za povećanje upotrebe obnovljivih izvora energije i proizvodnja je moguća u postrojenjima malih razmera i veoma jednostavne konstrukcije.

Biogas se može koristiti direktno za kuvanje i kogeneraciju struje i toplote što je naročito izvodljivo kada se biogas koristi na, ili u blizini mesta generisanja. Isto tako, upotrebom biogasa rešava se problem snabdevanja energijom u ruralnim oblastima gde se tradicionalno koristi drvo kao gorivo. Osim iz ekoloških razloga, upotreba biogasa umesto drveta poželjna je iz zdravstvenih razloga jer biogas sagoreva bez dima. Jedna od mogućnosti primene biogasa je kao gorivo za vozila jer je biogas najčistije dostupno gorivo.

Biogas proizvodi 95% manje ugljen-dioksida u odnosu na dizel, i ima 80 % manju emisiju azotnih oksida. Takođe, upotreba biogasa ne dovodi do emisije čvrstih čestica u atmosferu. Jedan kubni metar biogasa oslobađa 23 MJ (5500 kcal) energije što odgovara toplotnoj moći 0,6 l dizel goriva.

Međutim, glavni problem koji se javlja je mogućnost curenja gasa iz rezervoara. Kako se koristi komprimovani biogas čiji je pritisak veliki (oko 225 bara) moguće je curenje gasa na mestima sastava, kao i eksplozija samog cilindra ukoliko je vozilo izloženo vatri.

U novije vreme se ispituje mogućnost upotrebe biogasa zajedno sa dizel gorivom u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem. Ovaj koncept daje manju emisiju zagađivača u odnosu na upotrebu dizel goriva i bolje performanse motora u odnosu na upotrebu čistog biogasa.

Biogas se može koristiti za zagrevanje staklenih bašti jer, osim zagrevanja, obezbeđuje i povećanu koncentraciju ugljen-dioksida koji biljke koriste pri fotosintezi. Metan iz biogasa se koristi za proizvodnju metanola, organskog rastvarača koji se koristi za dobijanje formaldehida, hlormetana.

Biogas se može koristiti i za dugoročno skladištenje voća i žitarica. Atmosfera sa metanom i ugljen-dioksidom inhibira metabolizam biljaka i smanjuje formiranje etilena u voću i žitaricama, a osim toga ubija i štetne insekte, plesni i bakterije koje mogu prouzrokovati kvarenje.Tretiranjem otpada u zatvorenim tankovima izbegava se emisija metana koji ima 22 puta veći uticaj na globalno zagrevanje od ugljen-dioksida. Godišnje se širom sveta, kao posledica nekotrolisane mikrobiološke aktivnosti, u atmosferu oslobodi 590-880 miliona tona

29

metana. Oko 90 % emitovanog metana potiče iz biogenih izvora, tj, iz procesa razgradnje biomase, dok je ostatak fosilnog porekla.

Podvrgavanjem otpadnih voda anaerobnoj digestiji može se za 90 % smanjiti sadržaj polutanata u njima i na taj način sprečiti zagađivanje zemljišta i reka. Nakon završetka anaerobne digestije ostaje čvrsta faza koja se može iskoristiti kao veoma vredno organsko đubrivo.

5. ANALIZA REGULATIVA I STRATEGIJE O KORIŠĆENJU OBNOVLJIVIH IZVORA ENERGIJE

5.1. STANJE I REGULATIVE U SRBIJI O KORIŠĆENJU OIE

Rezerve fosilnih goriva kojima raspolaže Republika Srbija nisu ohrabrujuće, s obzirom da lignit sa eksploatacionim rezervama od 13350 Mt predstavlja najznačajniji resurs, dok godišnja proizvodnja nafte iznosi oko 1000 Mt. Zbog toga, veoma je važno da Republika Srbija obezbedi sigurno, kvalitetno i pouzdano snabdevanje energijom i energentima, uz istovremeno smanjenje energetske zavisnosti zemlje. S tim u vezi, jedan od osnovnih ciljeva energetske politike zemlje je povećanje korišćenja obnovljivih izvora energije (OIE). Prema zakonu o energetici, energija iz obnovljivih izvora je energija proizvedena iz nefosilnih obnovljivih izvora, kao što su: vodotokovi, biomasa, vetar, sunce, biogas, deponijski gas, gas iz pogona za preradu kanalizacionih voda i izvori geotermalne energije.

Obnovljivi izvori energije u Srbiji sa procenjenim tehnički iskoristivim potencijalom od 6 Mt godišnje značajno mogu doprineti manjem korišćenju fosilnih goriva. Najveću mogućnost predstavlja biomasa sa oko 3,3 Mt godišnje (oko 64 % od ukupno procenjenih potencijalnih izvora). Pored biomase, hidropotencijal Srbije može da obezbedi oko 1,7 Mt od čega je 0,8 Mt godišnje neiskorišćeno, geotermalna energija i energija vetra sa po 0,2 Mt godišnje, dok potencijal solarne energije iznosi oko 0,6 Mt. Republika Srbija od raspoloživog potencijala obnovljivih izvora trenutno koristi 33 %.

5.1.1. Struktura proizvodnje OIE u Srbiji

U strukturi planirane proizvodnje primarne energije u Srbiji za 2012. godinu, obnovljivi izvori energije učestvuju sa 18 %, od čega ogrevno drvo sa 9 %, hidropotencijal sa 8 %, a geotermalna energija sa manje od 1 %. Proizvodnja i potrošnja čvrste biomase obuhvata samo proizvodnju i potrošnju ogrevnog drveta u energetske svrhe (za potrebe grejanja).

U okviru aktivnosti Energetske Zajednice u oblasti obnovljivih izvora energije, a za potrebe definisanja ciljeva, sprovedeno je istraživanje o potrošnji biomase za sve potpisnice Ugovora o Energetskoj Zajednici. Proizvodnja ogrevnog drveta u 2011. i 2012. godini je na istom nivou i iznosi oko 1 Mt.Proizvodnja električne energije iz velikih i malih vodenih tokova obuhvaćena je u sklopu poglavlja o ukupnoj proizvodnji električne energije u Republici Srbiji. U 2012. godini planirano je korišćenje hidropotencijala velikih vodenih tokova za 15 % više od procenjenog u 2011. godini. Proizvodnja električne energije malih hidroelektrana u okviru sistema JP EPS, kao i malih hidroelektrana koje isporučuju električnu enrgiju JP EPS u 2012. godini bila je za oko 28 % više od proizvodnje u 2011. godini.

30

Proizvodnju geotermalne energije prati Republički zavod za statistiku u okviru svojih statističkih istraživanja. Proizvodnja poslednjih godina je na istom nivou sa oko 0,005 Mt. Količina proizvedene geotermalne energije koristi se isključivo za grejanje. Ovim podatkom nije obuhvaćeno i korišćenje geotermalane energije kroz upotrebu toplotnih pumpi.Donošenjem nacionalnog akcionog plana Republike Srbije za OIE regulisano je poštovanje obaveze preuzetih ugovorom o osnivanju Energetske zajednice, utvrđene su putanje za dostizanje cilja od 27 % OIE u bruto finalnoj potrošnji energije Srbije 2020. god i definisane mere za veće korišćenje OIE. Predviđeni udeo OIE u Srbiji od 27% je iznad nivoa koji je svojim planom predvidela EU

5.1.2. Regulative o povećanju korišćenja OIE u Srbiji

U cilju povećanja korišćenja OIE, Vlada Republike Srbije je donela niz regulativa u periodu od 2004. god koje su prikazane u tabeli 10. Između ostalog, doneta je i Uredba o povlašćenim proizvođačima električne energije i Uredba o merama podsticaja za povlašćene proizvođače. Energetski subjekti mogu, u smislu zakona o energetici, steći status povlašćenog, proizvođača električne energije (u daljem tekstu: povlašćeni proizvođač) ukoliko:

1) u procesu proizvodnje električne energije u pojedinačnom proizvodnom objektu koriste obnovljive izvore energije, osim hidroelektrana instalisane snage veće od 30 MW,

2) u pojedinačnom proizvodnom objektu instalisane električne snage do 10 MW istovremeno proizvode električnu i toplotnu energiju sa visokim stepenom iskorišćenja primarne energije,

3) su priključeni na prenosni, odnosno distributivni sistem električne energije,4) imaju posebno merno mesto odvojeno od mernih mesta na kojima se meri

količina , električne energije proizvedena u drugim tehnološkim procesima,5) imaju zaključen ugovor o prodaji toplotne energije za elektrane sa kombinovanom

proizvodnjom električne i toplotne energije, osim ako toplotnu energiju koriste za sopstvene potrebe i

6) za elektrane koje koriste energiju vetra i energiju sunca instalisana je snaga manja od slobodnog kapaciteta, odnosno da je zahtev za sticanje statusa povlašćenog proizvođača podnet za deo instalisane snage koji je manji ili jednak slobodnom kapacitetu.

Zavisno od načina uvođenja i primenjenog rešenja korišćenja OIE, Uredbom o merama podsticaja za povlašćene proizvođače utvrđene su mere podsticaja. Tako, ukoliko je zadržano postojeće rešenje, podsticaji obuhvataju podsticajni period od 12 godina i besplatno mesečno očitavanje brojila i obaveštavanje od strane nadležnog operatora.

Ukoliko su predložene nove vrednosti i dopunjene postojeće kategorije korišćenja OIE, podsticaj obuhvata definisane garantovane podsticajne otkupne cene tokom podsticajnog perioda. Za novo rešenje u korišćenju OIE predviđene su sledeće podsticajne mere: podsticajni period za stare objekte je umanjen za broj godina od puštanja u pogon do sklapanja ugovora sa javnim snabdevačem, pravo povlašćenog proizvođača koji je stekao privremeni povlašćeni status da prodaje energiju po ceni koja je važila u trenutku sticanja privremenog statusa ukoliko je to povoljnije za njega, preuzimanje balansne odgovornosti i troškova balansiranja tokom podsticajnog perioda i pravo povlašćenog proizvođača da posle isteka podsticajnog perioda nastavi da prodaje energiju javnom snabdevaču, ali sada po tržišnim cenama.

31

6. ZAKLJUČAK

Srbija godišnje na uvoz kvalitetnih energenata i pokriće troškova proizvodnje finalne energije iz domaćih energetskih resursa mora da izdvoji preko dve milijarde evra. Za novac koji se odvaja za uvoz energenata (oko milijardu evra) moguće je napraviti sve predviđene male mini hidroelektrane, ili moguće vetrenjače, postaviti solarne kolektore, i iskoristi potencijale biomase i geotermalnih izvora u Srbiji

Programima, planovima ali i operativnim merama, većina zemalja sveta je za cilj do 2020. godine, postavila dupliranje i tripliranje proizvodnje električne energije iz ovih izvora, uz stalan rast izdvajanja za istraživanje i razvoj. Koliko god da su skeptici bili zabrinuti zbog visine troškova proizvodnje energije iz ovih izvora, danas kada je cena barela sve viša, tom osećanju nema mesta. Pored energetskih i ekoloških prednosti, omogućavaju privredni rast i otvaranje novih radnih mesta. Samo u industriji vetra Nemačke godišnji povraćaj je bio oko 5 milijardi evra i otvoreno je preko 40 hiljada radnih mesta u periodu od 1990 do 2001. godine.

Obnovljivi izvori energije predstavljaju jedan od načina da se ovaj problem prevaziđe. Karakteriše ih održivi razvoj i ekološki su prihvatljivi. Međutim veliki problem su još uvek značajne investicije u poređenju sa konvencionalnim izvorima energije, što mnoge investitore u startu odvraća od ulaganja. Kako bi se ovaj problem na pravi način regulisao potrebno je na nivou države doneti zakonsku regulativu koja će jasno definisati status proizvođača energije iz obnovljivih izvora. Potrebno je uzeti mnoge faktore u obzir koji će kao krajnji rezultat imati odgovarajuću cenu na tržištu.

Investicije u zelenu energiju mogu biti dobro rešenje s obzirom na njihov životni vek i sve veću potrebu da se sačuva životna sredina. Bez obira na sve, nove investicije su poženjne u svim državama jugoistočne Evrope, što će na duge staze smanjiti cenu električne energije od čega će na kraju najveću korist imati potrošači.  

32

LITERATURA

1. Dr Dodić Jelena, Dr Grahovac Jovana: Studija o obnovljim izvorima energije –

Tehnološki fakultet, Novi Sad, Jul, 2013.

2. Kuburović, M., Stanojević, M., Knežević, V.: Elementi projektovanja postrojenja za

anaerobnu obradu otpadnog materijala, Procesna tehnika, Beograd, 1994.

3. Mićić, R., Tomić, M., Metode i hemizmi dobijanja biodizela, Traktori i pogonske

mašine, 2011.

4. Mojović, Lj., Pejin, D., Lazić, M., Bioetanol kao gorivo – stanje i perspektive,

monografija, Tehnološki fakultet, Leskovac, 2007.

5. Radosavljević, M.: Korišćenje biogasa za kombinovanu proizvodnju toplotne i

električne energije, Procesna tehnika, Beograd, 1996.

6. Sekulović, Z., Ćosić, S., Stišović, S.: Studija: Alternativne energije, Stručni časopis

Energoprojekt, 1992.

7. Semenčenko, V., Mojović, Lj., Petrović, S., Ocić, O., Novi trendovi u proizvodnji

bioetanola, Hemijska Industrija, 2011.

8. Tomović, S., Alternativni izvori energije,Tehnička knjiga, Beograd, 2002.

9. Zakon o energetici „Službeni glasnik RS“ br. 57/11

10. Uredba o merama podsticaja za proizvodnju električne energije korišćenjem

obnovljivih izvora energije i kombinovanom proizvodnjom električne i toplotne

energije ("Službeni glasnik RS", br. 99/2009)

11. Pojednostavljeni nacionalni akcioni plan za obnovljive izvore energije Republike

Srbije, Ministarstvo energetike, razvoja i zaštite životne sredine, Beograd, 2012.

12. Statistički godišnjak Srbije 2012, Republički zavod za statistiku, Beograd, 2012

13. Politika Republike Srbije u oblasti obnovljivih izvora energije, Privredna komora

Srbije, Beograd, 2012

33