Brosura-6 biogazul O.SVET

Unitatea consolidat de implementare a proiectelor de mediuProiectul Practici de gestionare a gunoiului de grajd

i tehnologii de producere a biogazului

Chiinu 2013

UTILIZAREA BIOGAZULUI LA PRODUCEREA CLDURII

I ELECTRICITII

( Ghid )

World BankMinisterul Mediuluial Republicii Moldova

3

Utilizarea biogazului la producerea cldurii i electricitii Utilizarea biogazului la producerea cldurii i electricitiiGhid Ghid

CUPRINS InTROdUcERE ................................................................................... 4

1. UTILIZRILE BIOGAZULUI: aspecte generale ............................. 51.1. Modalitile de utilizare ale biogazului ............................................................51.2. Soluii de utilizare a cldurii i electricitii produse ......................................71.3. Sprijinul statului pentru producerea electricitii din biogaz ................... 10

2. COGENERAREA ENERGIEI: soluia pentru biogazul produs la scar larg ................................... 132.1. Esena cogenerrii i tehnologiile existente ................................................. 132.2. Cogenerarea bazat pe utilizarea motorului cu ardere intern ................. 152.3. Particularitile funcionrii instalaiei de cogenerare ................................. 16

3. EXEMPLE DE VALORIFICARE A BIOGAZULUI PRODUS ..... 193.1. Utilizarea biogazului produs la scar mic .................................................. 193.2. Utilizarea biogazului produs la scar medie i mare ................................... 213.3. Recomandri practice cu privire la utilizarea biogazului produs ............ 24

4. FEZABILITATEA ECONOMIC A PRODUCERII ELECTRICITII DIN BIOGAZ ...................................................274.1. Formularea problemei .................................................................................... 274.2. Dimensionarea staiei de producere a biogazului i calculul costului biogazului produs ........................................................................................... 274.3. Dimensionarea instalaiei de cogenerare i calculul energiei electrice i termice produse .......................................................................................... 314.4. Determinarea rentabilitii proiectului ......................................................... 37

Referine ................................................................................................ 38Bibliografie ........................................................................................... 39

ANEXE ................................................................................................. 40Anexa 1. Cantitatea de gunoi de grajd i producia de biogaz la ferme .......... 40Anexa 2. Glosar de termeni .................................................................................. 44

2

Ghidul este destinat antreprenorilor agricoli din Republica Moldova, care in-tenioneaz s dezvolte o afacere n domeniul producerii biogazului. Ghidul conine informaii i recomandri practice privind utilizrile biogazului produs din gunoiul de grajd.

Ghidul a fost elaborat de ctre Valentin Arion, Olga ve i Constantin Borosan, Universitatea Tehnic a Moldovei i editat cu suportul Proiectului Practici de gestionare a gunoiului de grajd i tehnologii de producere a biogazului.

Coninutul publicaiei nu reflect neaprat punctul de vedere al finanatorilor.

Ghidul face parte din seria de lucrri consacrate managementului gunoiului de grajd :

1. Compostarea gunoiului de grajd i a altor reziduuri organice.

2. Depozitarea i manipularea gunoiului de grajd.

3. Sisteme alternative de tratare a dejeciilor animaliere.

4. Protejarea mediului prin managementul integrat al deeurilor biodegradabile.

5. Producerea biogazului din deeuri animaliere.

6. Utilizarea biogazului la producerea cldurii i electricitii.

4 5


Introducere

Biogazul este un combustibil preios, curat n utilizare i prietenos mediului. El poate fi produs din diverse materii organice, ns e cazul ca mai nti de toate s folosim deeurile, ncepnd chiar cu gunoiul de grajd provenit de la ntreinerea animalelor. Producia zilnic/lunar/anual de biogaz, evident, va depinde de ct materie prim dispunem: n cazul valorificrii deeurilor animaliere, rezulta-te din gospodria individual, pentru producerea biogazului va exista o staie de tip familial, iar pentru tratarea deeurilor de la o ferm de animale va fi nevoie de o staie de biogaz de tip fermier. Astfel, producia de biogaz va varia de la caz la caz.

Biogazul (produs, purificat i stocat) reprezint o resurs energetic formida-bil, care, la egal cu gazul natural, poate fi utilizat pentru acoperirea tuturor nevoilor energetice, precum:

pregtirea hranei, nclzirea spaiilor, prepararea apei calde menajere, carburant pentru vehicule, producerea electricitii.

n dependen de cantitatea biogazului produs, respectiv, vor fi identificate uti-lizrile lui. Biogazul obinut de la o staie individual ajunge doar pentru pre-gtirea hranei i nclzirea apei. Biogazul produs n cantiti mai mari poate fi furnizat consumatorilor locali prin intermediul unei reele special amenajate sau a reelei existente de gaze naturale; frecvent, biogazul este folosit pe loc la producerea electricitii.

Statul promoveaz i susine productorii de electricitate din surse de energie regenerabil. Instalaiile de producere a energiei ce funcioneaz pe lng fer-mele zootehnice ar putea contribui la asigurarea autonomiei energetice la nivel de localitate.

n scopul alegerii opiunii de utilizare a biogazului, ar fi cazul de realizat o sim-pl analiz economico-financiar.

1.1. Modalitile de utilizare a biogazului

Biogazul, de altfel ca i ali combustibili gazoi, este foarte comod de a fi utilizat n instalaiile de producere a energiei. n primul rnd, starea lui de agregare per-mite de a-l transporta din recipientul de colectare ctre instalaia energetic fr a depune un efort nsemnat, fiind suficient instalarea unei conducte dotate la capt cu un robinet. n al doilea rnd, arderea chimic complet a acestui com-bustibil ofer un avantaj n plus fa de combustibilii solizi i lichizi, care nece-sit intervenie pentru a ndeprta cenua i zgura, rezultate n urma procesului de combustie. Avnd n vedere cele expuse mai sus, se desprinde o concluzie important: biogazul poate fi utilizat ntr-o varietate larg de instalaii bazate pe diverse tehnologii.

Societatea modern are nevoie de patru forme de energie: energie termic pen-tru nclzirea locuinelor, energie electric pentru alimentarea receptorilor electrici, combustibili pentru prepararea hranei i carburani pentru transport. Biogazul poa-te satisface oricare din aceste necesiti. n continuare vor fi prezentate pe scurt toate modalitile i instalaiile posibile de valorificare a biogazului n scopuri energetice.

Cea mai simpl modalitate de utilizare a biogazului este arderea lui direct. n cazul biogazului provenit de la o staie de tip familial, acesta poate fi utilizat la gtitul hranei la aragaz. Biogazul va fi ars direct, fr careva modificri ale con-struciei arztoarelor aragazului.

Figura 1.1. Utilizarea biogazului n aragaz pentru gtit [1, 2]

UTILIZRILE BIOGAZULUI: aspecte generale 1

6 7


Biogazul va fi adus n locuin prin evi din fier zincat sau furtun flexibil din po-liclorur de vinil. Legtura dintre conductele metalice i arztoare se efectueaz printr-un furtun gros, rezistent, din cauciuc.

Dac biogazul este utilizat n mai multe gospodrii i este nevoie de a duce evidena consumului fiecreia dintre ele, foarte simplu se instaleaz un contor, de tipul celor utilizate astzi n reelele de distribuie de presiune joas a gazelor naturale.

a) b)

Figura 1.2. Sistem de contorizare cu conducte flexibile (a) i metalice (b) [3, 4]

O alt modalitate de utilizare a biogazului este arderea lui direct, pentru produce-rea energiei termice. Cldura produs, la rndul su, poate fi utilizat pentru ncl-zirea locuinelor sau prepararea apei calde menajere. Arderea cu scopul nclzirii locuinei se poate efectua prin montarea n interiorul sobelor a celor mai simple arztoare. Arderea biogazului n scopul preparrii apei calde se va efectua n caza-ne de ap fierbinte. nclzirea spaiilor de locuit i prepararea apei calde menajere poate fi organizat ntr-o singur instalaie - cazan mural sau de pardoseal.

Pentru a putea fi ars, n cazane moderne, se impun cerine fa de calitatea bi-ogazului, ntruct umiditatea sporit poate conduce la coroziunea elementelor cazanului, iar impuritile s cauzeze nfundarea arztoarelor.

Cu toate acestea, arderea biogazului cu scopul de a produce numai energie ter-mic, nu este tocmai cea mai raional metod, deoarece producerea cldurii nu este o problem i ea poate fi obinut din alte tipuri de combustibili prezeni n abunden.

n plus, producerea biogazului presupune un efort investiional, fapt care pn la urm este reflectat n costul utilitii. De aceea, este mai rezonabil de a arde n sobe ali combustibili mai ieftini, iar biogazul s fie folosit acolo unde merit mai mult (poate la producerea energiei electrice).

Figura 1.3. Cazane de nclzire pe biogaz [5, 6]

Biogazul poate fi folosit n calitate de carburant pentru vehicule. Dac bioga-zul este condiionat potrivit i comprimat, acesta poate nlocui gazele naturale comprimate din transport. Aceast modalitate de utilizare a biogazului, n viitor, poate avea mari perspective, actualmente ns exist ali carburani mai atractivi care sunt utilizai n acest scop.

Cea mai atractiv modalitate de utilizare a biogazului este producerea electrici-tii. n acest caz, biogazul substituie combustibilul tradiional fosil de la cen-tralele termoelectrice. Producerea de electricitate din biogaz necesit un capital nsemnat fa de celelalte modaliti de valorificare. ns, este de remarcat c efectele obinute merit realizarea efortului, mai ales c producerea energiei re-generabile este susinut financiar de ctre stat.

1.2. Soluii de utilizare a cldurii i electricitii produse

Producerea energiei electrice este cea mai atractiv soluie de valorificare a biogazului produs la scar larg. Mai des, sunt utilizate instalaii de cogenerare a energiei, n care are loc producerea simultan a cldurii i electricitii.

8 9


Energia electric poate fi produs i consumat n totalitate pe loc (fig. 1.4). n cazul insuficienei sursei proprii, necesarul de energie va fi preluat din reeaua public, iar n situaiile generrii unui surplus de energie acesta va fi injectat n reea (fig. 1.5).

Figura 1.4. Producerea electricitii din biogaz i utilizarea local a ei

Cldura produs poate fi consumat n procesele industriale, n activitile agricole sau pentru nclzirea spaiilor.

Figura 1.5. Producerea cldurii i electricitii prin cogenerare

n condiiile Republicii Moldova, durata sezonului de nclzire este de doar 166 de zile, lucru ce conduce la concluzia c n cazul utilizrii cldurii pentru nclzi-rea locuinelor, instalaia va funciona n regim de cogenerare cel mult jumtate de an. Lund n consideraie c sarcina termic este neuniform, condiionat

de temperatura mediului, durata de utilizare a puterii maxime va fi de cel mult 2 500 h/an.

Cldura produs de instalaia de cogenerare poate fi utilizat pentru nclzirea fermentatorului. Spre exemplu, regimul de fermentare termofil cere asigurarea unei temperaturi n digestor n jur de 45-70 oC. Dac pe timp de var i la o ex-punere bun la soare a fermentatorului aceste temperaturi pot fi atinse n mod natural, atunci n sezonul rece (toamna, iarna i primvara) trebuie de cutat modaliti de asigurare a regimului termic necesar. Soluia este de a valorifica cldura preluat din contul rcirii gazelor de ardere din motor i a pieselor lui mobile, pentru a fi transmis printr-un sistem de conducte substratului din fer-mentator.

a) b)

Figura 1.6. Sistem de nclzire a substratului n digestor montat pe pereii interiori (a), pe fundul fermentatorului (b) [7, 8]

O soluie de utilizare a cldurii pe o durat de timp mai lung este de a o valo-rifica n serele de cretere a legumelor (fig. 1.7), perioada de nclzire ncepnd toamna devreme i pn primvara trziu. n acest caz durata de utilizare a puterii termice maxime va fi mai mare, mai ales c pentru creterea plantelor este recomandat meninerea unei temperaturi constante n sere pe tot par-cursul anului.

Instalaie de cogenerare Reea electric public

Contoare

Receptori

Instalaie de cogenerare

Reea electric publicCas individual

Complex de sere

10 11


Figura 1.7. Sere nclzite cu cldura recuperat de la motorul cu ardere intern [9, 10]

1.3. Sprijinul statului pentru producerea electricitii din biogaz

Republica Moldova i-a asumat angajamentul de a produce i utiliza energia regenerabil. Producerea energiei electrice din resurse regenerabile, inclusiv din biogaz, este sprijinit de ctre stat. Aceasta nseamn c odat ce din gunoiul de grajd este obinut biogaz i ulterior folosit la producerea electricitii injectate n reeaua public, productorul de electricitate este recompensat pentru energia livrat. Recompensa garantat de ctre stat (sau tariful la energia furnizat) i permite productorului de energie s-i acopere toate cheltuielile, precum i s obin un profit.

Sprijinul oferit productorilor de electricitate, de origine regenerabil, este asi-gurat de ctre Agenia Naional pentru Reglementare n Energetic (ANRE), care n anul 2009 a pus n aplicare un document, cunoscut sub denumirea Meto-dologia determinrii, aprobrii i aplicrii tarifelor la energia electric produs din surse rege-nerabile de energie i biocombustibil 1.

Metodologia a fost elaborat n corespundere cu Legea energiei regenerabi-le nr.160-XVI din 12.07.2007, ce prevede oferirea de sprijin economic produ-

1 Aprobat prin hotrrea ANRE nr. 321 din 22 ianuarie 2009.

ctorilor de energie regenerabil. Acest document prevede ca productorul de energie electric anual s se adreseze la ANRE cu solicitarea de stabilire a tarifu-lui la energia livrat n reeaua public, prezentnd calculul respectiv al cheltuie-lilor aferente producerii de energie.

Tariful stabilit de ANRE trebuie s acopere toate cheltuielile strict necesare producerii de electricitate n cadrul tehnologiei aplicate de productor. Este im-portant ca productorul de energie s prezinte la ANRE toate actele ce atest efectuarea cheltuielilor strict necesare procesului de producere, contorizrii i livrrii energiei n reeaua public.

n prezent, mai muli productori locali de energie electric din biogaz beneficiaz de aceast schem de sprijin.

Printre ei este i un productor din s. Colonia, care din biogazul obinut din gu-noiul de grajd produce electricitate2. Instalaia sa de generare a energiei are la baz un motor cu ardere intern alimentat cu biogaz; ea produce att electricitate ct i cldur. Puterea nominal a instalaiei este de 85 kW; instalaia este racordat la reeaua electric local de medie tensiune. Productorul de energie, lunar, obine de la RED Union Fenosa un certificat care indic cantitatea de energie electric produs i injectat n reea, n baza cruia ulterior se fac achitrile bneti la tariful stabilit de ANRE.

Metodologia n vigoare a introdus o putere minim de 10 kW a instalaiilor de producere a energiei verzi. Capacitatea de producere a energiei electrice din bi-ogazul obinut din gunoiul de grajd de la fermele animaliere n medie va fi ntre 60-70 kW. La producerea biogazului din gunoiul de grajd se recomand de a aduga i un alt substrat n proporie de cel puin 10%.

Este important de menionat c, n viitorul apropiat n ar va fi pus in apli-care o nou schem de sprijin a productorilor de electricitate verde, numit

2 http://www.youtube.com/watch?v=4YgzjsnL0Qg

12 13


tarife Feed-in - un instrument, pe larg aplicat n multe ri ale lumii, care prevede de a oferi productorilor de electricitate contracte pe termen lung (15-25 ani), de achiziie a energiei produse la un tarif constant pe ntrea-ga perioad. Un asemenea contract este foarte atrgtor pentru investitor, ntruct acesta va cunoate condiiile n care va activa, nainte de a realiza investiia propriu-zis.

n plus, tariful Feed-in va fi difereniat pe tehnologiile de generare a energiei, precum i pe capacitatea de producere a instalaiilor. n acest sens, rmne de vzut dac producerea de electricitate din biogazul obinut din gunoiul de grajd va fi n lista prioritilor statului, promovate prin intermediul acestui nou meca-nism economic.

Att metodologia existent, ct i metodologia Feed-in ofer prioritate, practic sub toate aspectele, productorilor de electricitate din surse regenerabile. Aceas-ta se refer la obinerea avizului de racordare la reeaua electric de distribuie, obinerea altor acte necesare activitii, achiziia necondiionat a energiei pro-duse i altele.

2 2.1. Esena cogenerrii i tehnologiile existente

Energia electric poate fi produs din biogaz prin aplicarea diferitor tehnologii. Absolut toate tehnologiile de producere a electricitii din biogaz permit de a produce i cldur. Cogenerarea nseamn producerea simultan, n acelai pro-ces, a energiei termice i a energiei electrice sau mecanice.

Prin aplicarea cogenerrii de nalt eficien se obine o economie de energie primar fa de valorile de referin ale produciei separate de energie electric i energie termic (fig. 2.1). Ca urmare, se reduce cantitatea de emisii de gaze cu efect de ser n atmosfer.

e = 35%

t = 90%100

62

38

22

3440

4

Combustibil

Pierderi - 44

Producere separat

22

34

Cldur

ElectricitateEnergie final Producere combinat

65

Combustibil22

34

e = 34%gl = 86%t = 52%

Pierderi - 9

9

Figura 2.1. Eficiena producerii electricitii i cldurii separat i n cogenerare

O tehnologie matur, n acest sens, este motorul cu ardere intern (fig. 2.2). Bioga-zul este introdus n cilindrele instalaiei, unde are loc aprinderea lui. Explozia produs provoac deplasarea pistoanelor micare de rotaie, care este transmi-s arborelui generatorului electric.

a) b)

Figura 2.2. Motorul cu ardere intern], fr carcas (a), n container (b) [12, 13

cOGEnERAREA EnERGIEI - soluia pentru biogazul produs la scar larg

14 15


Instalaia de turbin cu gaze ofer posibilitatea de a arde biogazul direct n came-ra de ardere a turbinei. Pentru realizarea ciclului instalaiei de for se impun cerine de rigoare fa de calitatea biogazului utilizat. Pentru aceasta biogazul urmeaz s treac mai multe etape de filtrare i condiionare. Energia electric se produce ca urmare a rotirii arborelui generatorului antrenat de turbin. Cldura se recupereaz din gazele de ardere i poate fi folosit n scopul ncl-zirii sau preparrii apei calde menajere. ns dezavantajul turbinelor cu gaze este c ele au un randamentul electric mic, deoarece cea mai mare parte din energia mecanic (~70%) este absorbit de compresorul instalaiei, montat pe acelai arbore.

Producerea electricitii bazat pe arderea direct a biogazului. Pentru pro-ducerea aburului biogazul este ars ntr-un cazan de abur. Agentul de lucru - aburul, se nclzete pn la parametrii necesari funcionrii turbinei, dup aceast se injecteaz n turbin. Viteza i unghiul de introducere a aburului n turbin pun n micare de rotaie paletele turbinei. Arborele turbinei este cuplat cu arborele generatorului electric, pe care-l antreneaz, n rezultat se genereaz energie electric. Dezavantajul acestei tehnologii const n efici-ena sczut a conversiei. Din cauza parametrilor sczui ai aburului care se prepar, randamentul turbinei abia se ridic la 10%. Problema este cauzat de dimensiunile mari ale instalaiilor. Este evident faptul c n cazul utilizrii biogazului puterea instalat a centralei va fi din rndul centralelor de puteri mici.

nc o tehnologie de cogenerare modern se bazeaz pe utilizarea pilelor de combustie. n cazul dat, biogazul este n mod continuu introdus n comparti-mentul din partea anodului, iar oxidantul, oxigenul atmosferic, alimenteaz n mod continuu compartimentul situat n partea catodului. La nivelul electrozilor are loc o reacie electrochimic, n urma creia este produs curentul electric. Cl-dura disipat de pil poate fi utilizat pentru nclzirea apei. n prezent, aceast tehnologie este nc scump, dar destul de promitoare. Odat cu ieftinirea ei, pe viitor ea poate cpta o utilizare foarte larg.

2.2. Cogenerarea bazat pe utilizarea motorului cu ardere intern

Motorul cu ardere intern reprezint cea mai atractiv, accesibil i dovedit tehnologie pentru condiiile Republicii Moldova. Puterile unitare ale acestor in-stalaii sunt accesibile ntr-un diapazon foarte larg, de la zeci de kW pn la mii de kW.

Un avantaj n plus este oferit de costurile investiionale mai mici n raport cu celelalte tehnologii.

a) b)

Figura 2.3. Instalaie de producere a electricitii din biogaz, staionar de 3 kW (a), mobil de 5 kW (b) [14, 15]

Biogazul poate fi utilizat n calitate de combustibil n motoarele cu ciclu Otto pn la 100 kW. Pentru puteri mai mari se utilizeaz motoarele cu ciclul Diesel. n ambele cazuri aprinderea biogazului are loc datorit scnteii generate de bu-jie. Motoarele Diesel sunt adaptate pentru utilizare n acest sens.

Explozia biogazului n cilindru provoac deplasarea pistoanelor motorului. Aceast deplasare se transform n micare de rotaie cu ajutorul unui meca-nism biel-manivel. Arborele generatorului cuplat cu motorul produce lucru mecanic i, n cele din urm, energie electric.

Energia termic se obine prin rcirea pieselor mobile ale motorului i a uleiului lubrifiant.

16 17


Se consider o staie de producere a biogazului din gunoi de grajd. Aici con-versia gazului produs n energie se bazeaz pe utilizarea motorului cu ardere intern.

Totalitatea elementelor de infrastructur a unei staii ine dou domenii: cel al producerii biogazului i cel al producerii de energie (fig. 2.4).

Substrat

Instalaii depurificare i

condiionare

Digestor

OmogenizareBazin de colectare

a substratului Digestat

Aer

Rcitorde ulei

Rcitorpiesemobile

Gaze deeapament

Consumatortermic

Generatorelectric

INSTALAIE DE COGENERARE

Motor cuardere intern

Pomp decirculaie

FABRIC DE BIOGAZ

Recuperator

Recipient de colectare a biogazului

Figura 2.4. Schema de principiu a unei staii de biogaz

Elementele unei staii de biogaz sunt: bazinul de stocare prealabil, ba-zinul de preparare a substratului, fermentatorul sau reactorul, recipi-entul de colectare a biogazului, echipamentul de eviden a volumului de biogaz produs i/sau consumat, pompe de alimentare a digestorului. n cazul utilizrii cldurii recuperate de la motor pentru asigurarea con-diiilor de fermentare, se instaleaz i schimbtoare de cldur. Iar in-frastructura necesar producerii energiei cuprinde: echipamente de cu-rire (filtrare) a biogazului, echipamente de uscare, instalaie de co-generare, i instrumente de eviden a volumului energiilor produse.

2.3. Particularitile funcionrii instalaiei de cogenerare

Motoarele cu ardere intern (MAI) bazate pe utilizarea combustibililor gazoi, sunt proiectate, de regul, n ipoteza funcionrii lor pe gaze naturale. ns ele pot lucra i pe biogaz fr careva schimbri radicale constructive.

Tot aici trebuie de adugat c, deseori productorii de instalaii de cogenerare n paaportul tehnic prezint informaii precum parametrii nominali ce corespund, de regul, funcionrii motoarelor pe gaze naturale. Sunt ns i productori care afieaz parametrii de funcionare ai motoarelor i n cazul alimentrii instalaiei cu biogaz.

Parametrii principali care i schimb valorile sunt puterea efectiv (electric i termic) i randamentul (electric i termic). Diferena este cauzat de calitatea diferit a celor doi combustibili - cldura de ardere a gazelor naturale este ntre 33-35 MJ/m3, iar a biogazului este n jur de 18-25 MJ/m3.

Este evident c, n cazul injectrii n camerele de ardere a motorului a aceluiai debit de combustibil, fluxurile de energie sunt diferite, mai mic n cazul injectrii biogazului. Aceasta din urm influeneaz i parametrii de ieire a instalaei. n acest mod, puterea electric a motorului se poate micora cu aproximativ 10-20% fa de valoarea nominal. Randamentul electric al motorului de asemenea se modific, i poate scdea pn la 30%.

O alt particularitate important se refer la umiditatea i puritatea biogazului utilizat. Prezena umiditii i a hidrogenului sulfurat poate crea mari probleme. Majoritatea motoarelor prezint limite maxime admise pentru hidrogenul sulfu-rat i hidrocarburile halogenate coninute n biogaz.

Hidrogenul sulfurat provoac coroziunea pieselor metalice ale motorului, dar nu mai puin duntoare sunt emisiile de oxid de sulf n atmosfer. Pentru a putea fi utilizat, n motoare se impune respectarea unei concentraii de H2S sub 200 ppm n coninutul volumetric de biogaz. Coninutul sulfului n biogaz depinde de originea substratului. Astfel, dac se utilizeaz materie organic de origine vegetal, concentraia de sulf va fi mai mic fa de cazul utilizrii de-jeciilor animaliere.

nlturarea sulfului poate fi efectuat prin metoda inofensiv mediului de biofil-trare proces de purificare n care folosesc bacteriile pentru nlturarea compu-ilor sulfului. n cazul cnd nu se ajunge la concentraia necesar, se instaleaz filtre chimice rencrcate cu oxizi de fier care provoac precipitarea compuilor de sulf i, astfel, extracia lor metod numit desulfurare.

18 19


a) b)

Figura 2.5. Piese distruse ale motorului piston (a), cilindru (b) [16, 17]

Biogazul la ieire din digestor are o temperatur de cel puin 32 oC i o umiditate sporit. Dac temperatura biogazului scade sub temperatura punctului de rou, vaporii de ap se condenseaz i pot provoca coroziunea pieselor metalice ale motorului.

Pentru a preveni condensarea vaporilor de ap n camera de ardere, este necesar de a usca gazul nainte de a fi introdus n motor.

Nerespectarea condiiilor de puritate i umiditate a biogazului poate provoca blocarea pieselor mobile i defectarea instalaiei.

3.1. Utilizarea biogazului produs la scar mic

n gospodriile rneti din satele Moldovei frecvent se ntlnesc familii care cresc animale. Gunoiul de grajd, acumulat de la aceste animale, poate fi utilizat pentru producerea biogazului i folosit ulterior pentru gtit, prepararea apei calde, precum i pentru alte necesiti energetice.

Mai jos vom considera un caz particular de producere i utilizare a biogazului ce rezult de la ntreinerea animalelor ntr-o gospodrie individual. Fie c e vorba de prezena n gospodrie a 2 vaci, 4 porci i 20 de psri, care zilnic produc cca 70-80 kg sau 27-30 tone de gunoi pe an. Din acest gunoi, la o staie de biogaz de tip familial zilnic pot fi obinui 2-3 m3 de biogaz, ceea ce echivaleaz cu cca 800-1000 m3 pe an (tab. 3.1).

Tabelul 3.1. Gospodrie individual: producia de gunoi de grajd i de biogaz

Indicator UnitiTipul i numrul de animale

2 vaci 4 porci 20 psri Total

Gunoi de grajd disponibil t/an 20 6,4 0,6 27

Biogaz produs m3/an 448 308 58 813

De menionat c, la gunoiul de grajd pot fi adugate toate deeurile organi-ce disponibile n gospodrie, inclusiv cele alimentare, fapt ce va contribui la creterea produciei i calitii biogazului. Pentru cantitatea de gunoi de grajd considerat se cere un fermentator cu un volum de cca 4 m3. Cldura de ardere a biogazului produs va fi n limitele 18-22 MJ/m3.

Care ar fi cea mai potrivit soluie de utilizare a biogazului n gospodria indivi-dual atunci cnd volumul anual al produciei este sub 800-1000 m3 ?

Tabelul 3.2 indic asupra faptului c, pentru o familie cu trei persoane, doar gtitul hranei necesit cca 350 m3 biogaz pe an. Astfel cei 1000 m3 de biogaz, produs din dejeciile animalelor din jurul casei, sunt suficieni doar pentru gti-tul hranei i producerea apei calde menajere necesare unei familii.

EXEMPLE DE VALORIFICARE A BIOGAZULUI PRODUS3

20 21


Ct privete nclzirea casei pe perioada rece a anului n acest scop se cere de a fi utilizat o cantitate important de biogaz de circa 2000-2100 m3 (sau cca 1200-1300 m3 gaze naturale), volum ce nu poate fi obinut la o staie de tip familial.

Tabelul 3.2. Opiunea substituirii consumului de gaze naturale cu biogaz pentru o cas individual cu trei persoane

Necesitile energetice Necesarul de energie Gaze naturale Biogaz*GJ/an m3/an m3/anGtit 7,2 216 356Gtit+ACM 16,1 480 792Gtit+ACM+nclzire 60,3 1 800 2 969* 1 m3 biogaz echivaleaz cu cca 0,6 m3 gaze naturale

Consumul de combustibil la o cas individual variaz de la zi la zi, ba chiar pot fi i zile fr consum. Iat de ce la o staie de biogaz de tip familial se cere de a instala un acumulator de gaze; acesta poate fi produs din materie elastic, spre exemplu, din policlorur de vinil (PVC) (fig. 3.1).

a) b)

Figura 3.1. Acumulator de biogaz din PVC 20 m3 (a) i 25 m3 (b) [18, 19]

n recipientele de stocare biogazul se va acumula atunci cnd el nu este consu-mat i acest gaz va fi furnizat atunci cnd va fi nevoie. Se recomand recipiente cu un volum minim de circa 5 m3, ce ar asigura colectarea biogazului produs timp de 1-2 zile. Acumulatorul de biogaz trebuie amplasat ntr-un loc sigur chiar i pentru condiii meteorologice grele.

3.2. Utilizarea biogazului produs la scar medie i mare

Gunoiul de grajd de la fermele animaliere reprezint o bun materie prim pen-tru producerea biogazului la scar medie i mare. Potenialul de gunoi de grajd de la fermele existente n ar i respectiv producia de biogaz, ce poate fi obi-nut din el, necesit eforturi. Biogazul produs, reprezentnd un combustibil ca-litativ i preios, poate fi consumat pentru asigurarea diferitor necesiti, inclusiv la generarea energiei.

Mai jos (tab. 3.3) este prezentat o analiz a produciei de biogaz rezultat din gunoiul de grajd de la fermele animaliere, de diferit capacitate - de la 50 pn la 1000 capete, pentru diferite intervale de timp (zi, lun, an).

Tabelul 3.3. Producia de biogaz n funcie de numrul de animale la ferm, m3

Specie PerioadNumrul de animale, capete

50 100 200 300 500 1 000

Bovinezi 31 61 123 184 307 614lun 933 1 867 3 733 5 600 9 333 18 667an 11 200 22 400 44 800 67 200 112 000 224 000

Porcinezi 11 21 42 63 105 211lun 320 641 1 282 1 922 3 204 6 408an 3 845 7 690 15 379 23 069 38 448 76 896

Cabalinezi 35 69 139 208 347 693lun 1 055 2 109 4 219 6 328 10 547 21 094an 12 656 25 313 50 625 75 938 126 563 253 125

Ovine zi 3 7 13 20 33 66lun 100 200 400 600 1 000 2 000an 1 200 2 400 4 800 7 200 12 000 24 000

Din tabelul 3.3 este uor de observat c fermele de cabaline, dup potenialul biogazului ce poate fi produs, par a fi foarte atractive, ns numrul acestora n ar este unul redus. Conform Recensmntului General Agricol, n anul 2011 n ar au existat circa 206 mii bovine, 441 mii porcine, 769 mii ovine i numai 51 mii capete cabaline. Iat de ce o atenie sporit, sub aspectul valorificrii potenialului existent de biogaz, ar urma s fie acordat fermelor de bovine i porcine.

22 23


Biogazul produs din gunoiul de grajd ar putea substitui gazele naturale utilizate n gospodriile individuale pentru acoperirea necesitilor de preparare a hranei, producerea apei calde menajere i nclzire a locuinei. n tabelul 3.4 este pre-zentat numrul de gospodrii individuale ce pot fi asigurate cu combustibil pen-tru diferite necesiti energetice, n dependen de numrul animalelor la ferm.

Tabelul 3.4. Numrul de gospodrii individuale asigurate pe durata ntregului an cu biogazul rezultat de la fermele de animale

Specie Necesitile energeticeNumrul de animale, capete

50 100 200 300 500 1 000

BovineGtit 31 61 122 183 305 610Gtit+ACM 14 27 55 82 137 275Gtit+ACM+nclzire 4 7 15 22 37 73

PorcineGtit 11 23 46 69 114 228Gtit+ACM 5 10 21 31 51 103Gtit+ACM+nclzire 1 3 5 8 14 27

CabalineGtit 41 83 165 248 414 827Gtit+ACM 19 37 74 112 186 372Gtit+ACM+nclzire 5 10 20 30 50 99

OvineGtit 4 8 15 23 39 77Gtit+ACM 2 3 7 10 17 35Gtit+ACM+nclzire 0 1 2 3 5 9

Valorile numerice din tabelul 3.4 indic asupra faptului c, atunci cnd biogazul este utilizat pentru gtirea hranei i/sau prepararea apei calde menajere, numrul de case asigurate cu combustibil este mult mai mare dect n cazul utilizrii bioga-zului pentru nclzirea locuinelor. Aceast situaie se explic prin faptul c nece-sarul de energie pentru nclzire este mult mai mare dect pentru alte necesiti.

Totodat, folosirea biogazului pentru nclzire ridic o problem legat de acumula-rea i stocarea biogazului pe termen lung, ceea ce presupune instalarea unor rezer-voare mari, cu dimensiuni de sute i mii de m3. Asemenea recipiente ocup un spaiu mare i sunt costisitoare.

O soluie privind stocarea biogazului este comprimarea i injectarea biogazului n butelii, asemeni gazului natural comprimat utilizat n transporturi. ns aceast modalitate presupune costuri mari, dar i respectarea anumitor norme de securi-

tate, ntruct vasele de stocare a gazului comprimat se afl sub presiuni de peste 20 MPa. Astfel de modalitate nu se practic la fabricile de biogaz existente la noi n ar.

n situaia n care se decice de a utiliza biogazul pentru nclzirea locuinei, tre-buie prevzut un recipient de stocare a gazului. n tabelul 3.5 sunt prezentate volumele recipientelor pentru stocarea biogazului destinat nclzirii locuinelor.

Tabelul 3.5. Volumul*recipientului de stocare a biogazului* pentru necesiti de nclzire, m3

Specie Numrul de animale la ferm, capete50 100 200 300 500 1 000

Bovine 4 725 9 451 18 902 28 353 47 255 94 510Porcine 1 622 3 244 6 489 9 733 16 222 32 444Cabaline 5 340 10 680 21 360 32 039 53 399 106 798Ovine 506 1 013 2 025 3 038 5 063 10 126

* determinat n ipoteza utilizrii biogazului produs n perioada de var n proporie de 25% (utilizat doar pentru Gtit + ACM); perioada de stocare 210 zile; presiunea - atmosferic

Este evident faptul c, amplasarea unor astfel de recipiente imense ridic deja o alt problem, legat de suprafee i spaii libere. De aceea, atunci cnd sunt produse volume mari de biogaz, o soluie mai potrivit de valorificare a lui este producerea energiei electrice.

n tabelul 3.6 este prezentat puterea generatorului electric antrenat de motorul cu ardere intern, care poate fi asigurat de biogazul produs la ferme cu un numr diferit de animale. Ar fi de menionat c producerea electricitii este po-sibil doar n cadrul staiilor de biogaz de tip fermier sau la fabrici centralizate.

Tabelul 3.6. Puterea*instalat a generatorului electric* acionat de un motor cu ardere intern, kW


Bovine 3,7 7,4 14,7 22,1 36,8 73,6Porcine 1,4 2,8 5,5 8,3 13,8 27,6Cabaline 5,0 10,0 20,0 29,9 49,9 99,8Ovine 0,5 0,9 1,9 2,8 4,7 9,3

* determinat n ipoteza funcionrii instalaiei de cogenerare la parametrii: TM = 5 000 h/an i e = 30%

24 25


Chiar dac la unele ferme volumul produciei de biogaz pare a fi mare, acestora le va fi greu s asigure funcionarea instalaiilor de cogenerare chiar i de civa zeci de kW.

Investirea ntr-o instalaie de cogenerare bazat pe aplicarea motorului cu arde-re intern cu puteri sub 50 kW nu este raional, mai ales c efectul de scar la asemenea puteri mici este foarte simitor. Iat de ce se recomand investirea n capaciti de producie de peste 100 kW.

n situaiile n care biogazul produs la o singur staie nu este ndeajuns pentru antrenarea unui motor cu ardere intern de cel puin 50 kW, o soluie potrivit sunt fabricile de biogaz centralizate. n cazul dat, fabrica de biogaz va fi ampla-sat la o distan egal fa de toi furnizorii de materie prim, pentru a micora cheltuielile de transport.

Trebuie de inut cont de faptul c, n Moldova cele mai rspndite sunt ferme-le de bovine i porcine. Numrul de animale crescute la asemenea ferme este n limitele de 100-300 capete. Producia de biogaz, numai din gunoiul de grajd rezultat anual, nu poate asigura funcionarea unui motor cu ardere intern nici de 30 kW. Soluia ar fi combinarea gunoiul de grajd cu silozuri de porumb sau lucern. Dac se alege o proporie potrivit de gunoi de grajd i siloz, ar putea fi asigurate cu combustibil instalaii cu puteri de circa 100 kW. Utilizarea silo-zurilor este o soluie scump, ntruct necesit cheltuieli mult mai mari dect n cazul utilizrii numai a gunoiului de grajd. Iar n anii de secet, soluia dat poate periclita producerea biogazului, deoarece silozul va concura de rnd cu alte furaje.

3.3. Recomandri practice cu privire la utilizarea biogazului produs

n cazul cnd staia de biogaz este amplasat ntr-o gospodrie rneasc, staie de tip familial, materia prim provine din gunoiul de grajd de la animalele pro-prii, resturi alimentare, deeuri agricole, dar i deeuri de canalizare. Amestecul de substraturi de diferit provenien este chiar benefic, la un mix potrivit de materie prim se poate obine o producie mai mare de biogaz.

Prezena n curtea gospodriei a dou vaci, patru porci i 20 de psri este nde-ajuns pentru a produce biogaz ntr-un volum suficient pentru ca s nlocuiasc gazele naturale necesare pentru gtitul hranei i nclzirea apei.

Totodat, dac biogazul este acumulat n recipiente de civa zeci de m3, acesta poate alimenta o instalaie autonom de producere a energiei electrice de civa kW, ca surs de rezerv pentru perioadele scurte de ntrerupere a alimentrii cu energie din reea.

Producia de biogaz va fi mult mai mare n cazul unei fabrici de biogaz. De exemplu, o ferm de bovine cu 100 capete poate asigura funcionarea unei in-stalaii de cogenerare de cca 7 kW. Dac acelai volum de biogaz este utilizat numai pentru a gti hran, ferma poate asigura cu combustibil 61 de gospodrii, iar cazul utilizrii gazului i pentru prepararea apei calde, el este suficient pentru acoperirea necesarului a 27 de gospodrii.

Investiia n instalaia de cogenerare este mare, iat de ce opiunea de producere a electricitii trebuie considerat cu mult pruden.

Cheltuielile ce in de organizarea furnizrii i distribuiei biogazului ctre casele individuale ale cetenilor sunt considerabil mai mici. Aceste cheltuieli in de edificarea unei reele de distribuie i ducerea evidenei consumului fiecrei gos-podrii, prin instalarea contoarelor.

Dac se reuete negocierea cu consumatorii, a unui tarif care s satisfac am-bele pri, aceast modalitate de valorificare a biogazului ar putea fi mai atractiv chiar i dect producerea electricitii.

Evident, la stabilirea tarifului aplicat vor fi luate n consideraie toate aspec-tele, inclusiv cele legate de calitatea gazului, perioada de consum, sarcina ma-xim .a.

Producerea energiei electrice din biogaz merit a fi realizat numai la fermele mari, acolo unde poate fi asigurat o putere de cel puin 50 kW. Dac puterea este mai mic, se recomand utilizarea biogazului n scopuri menajere - gtit i ap cald.

26 27


Chiar i n cazul fermelor mai mari, cu 300-500 capete, este mai raional de a utiliza biogazul doar pentru a produce cldur (aragaz, central termic).

Biogazul produs n cantiti mari, dup purificare, uscare i metanizare poate fi injectat n reeaua public de gaze naturale. Reeaua poate fi utilizat pentru a aduce biogazul produs la consumatorii locali. n acest scop gazul va fi injectat n reeaua de distribuie ce deservete doar consumatorii respectivi. n condiiile Republicii Moldova injectarea biogazului n reeaua public de gaze naturale nu pare a fi soluia cea mai bun.

Figura 3.2. Sisteme de injectare a biogazului n reeaua de gaze naturale [20, 21]

Pentru a evalua fezabilitatea unei sau altei soluii de valorificare a biogazului, poate fi solicitat un studiu care va da rspuns, pentru o situaie concret.

4.1. Formularea problemei

Vom considera o ferm cu cca 500 de bovine i analiza oportunitatea implementrii unui proiect de investiii privind producerea i valorificarea energetic a biogazului.

n acest context se presupune edificarea unei staii de producere a biogazului, complimentat cu o instalaie de cogenerare a energiei, ce va produce cldur i electricitate. Producia de gunoi de grajd la ferm este de cca 5 mii t/an.

n scopul majorrii produciei de biogaz, gunoiul de grajd de la ferm va fi combinat cu siloz de porumb n proporie 1:8 (mai precis, 1 ton siloz la 8,3 tone gunoi de grajd). Cantitatea de siloz necesar constituie 600 t/an.

Analiza economic va fi realizat pentru o perioad de viitor de 15 ani, pe parcursul creia se va ine cont de evoluia costurilor, inflaiei i altor factori.

Pentru proiectul n cauz urmeaz de a: dimensiona staia de biogaz i determina costul biogazului produs; dimensiona instalaia de cogenerare i determina costul energiei electrice

i termice produse; evalua rentabilitatea proiectului.

4.2. Dimensionarea staiei de producere a biogazului i calculul costului biogazului produs

Dimensionarea staiei de biogaz

Vom accepta un regim termic mezofil de fermentare, care presupune o durat de retenie a materiei prime de cca 30 de zile, deci frecvena de ncrcare a fermentatorului va fi de o dat pe lun.

n funcie de cantitatea de materie prim folosit i durata de retenie urmeaz s stabilim volumul fermentatorul. O ncrctur a fermentatorului va include 417 tone de gunoi de grajd i 50 tone de siloz de porumb.

FEZABILITATEA ECONOMIC A PRODUCERII ELECTRICITII DIN BIOGAZ 4

28 29


Cunoscnd cantitatea m i densitatea r a materiei prime, determinm volumul ei:

Vmp = mmp /rmp = 467 / 0,96 = 486 m3,

unde densitatea materiei prime reprezint media ponderat a densitilor gunoiului de grajd (rgg = 991 kg/m

3) i a silozului (rsil = 700 kg/m3):

rmp = mgg% rgg + msil% rsil = 0,893 0,991 + 0,107 0,7 = 0,96 t/m3.

Fermentatorul se dimensioneaz astfel nct volumul materiei prime s nu depeasc 80% din volumul total al acestuia; de aici rezult -

Vferm= Vmp / 0,8 = 486 / 0,8 = 608 m3.

Vom accepta o valoare standard a volumului fermentatorului de 700 m3.

Calculul costului biogazului produs

Principalele caracteristici, ce stau la baza calculului costului biogazului sunt prezentate n tab. 4.1.

Tabelul 4.1. Datele iniiale utilizate n calculul costului biogazului

Parametru Simbol Unitate Valoare

Investiie aferent materiei prime (rezervor + dozator) Iimp 50 000

Investiia n fermentator Iferm 72 000

Investiia n rezervor stocare digestat Idigest 60 000

Cheltuielile anuale de operare i mentenan, % din inv. kO&M,0 %/an 6

Consumul anual materie prim Bmp t/an 5 600

Consumul anual siloz Bsil t/an 600

Costul silozului, valoare n anul de referin csil,0 /t 30

Producia anual de biogaz Vbiogaz m3/an 220 000

Cldura inferioar de ardere a biogazului Qibiogaz MJ/m3 21,7

Durata de studiu Ts ani 15

Rata creterii anuale a costului silozului rsil %/an 7

Rata creterii anuale a cheltuielilor de O&M rO&M %/an 5

Rata de actualizare i %/an 10

Costul biogazului produs CNAbio se determin prin raportarea cheltuielilor totale actualizate CTA, pe perioada de studiu a proiectului, la volumul total de biogaz VbioTA :

CNAbio = CTA / VbioTA .

Cheltuielile CTA includ cheltuielile cu investiia CTAI i cheltuielile operaionale CTAoper

CTA = I + CTAoper.

Cheltuielile cu investiia I, ce in de ntreaga infrastructur a staiei de biogaz (cu excepia instalaiei de cogenerare), nsumeaz investiia n rezervorul de stocare a materiei prime i n dozator Iimp, investiia n fermentator Iferm i n rezervorul de stocare a digestatului Idigest :

I = Iimp + Iferm + Idigest = 50 000 + 72 000 + 60 000 = 182 000 .

Cheltuielile totale operaionale pe perioada de studiu de 15 ani:

CTAoper = CTAmp + CTAO&M = 217 980 + 115 206 = 333 186 /an;

unde CTAmp reprezint cheltuielile totale actualizate cu materia prim;

CTAO&M - cheltuielile totale actualizate de operare i mentenan (O&M).

Admitem, c costul materiei prime, ce cuprinde gunoiul de grajd i silozul de porumb, este determinat doar de costul silozului. Astfel putem scrie

CTAmp= Csil,0 TT,x1 = 18 000 12,11 = 217 980 ;

unde Csil,0 reprezint costul silozului de porumb n anul de referin :

Csil,0 = csil,0 Bsil,0 = 30 600 = 18 000 /an;

csil,0 - costul unitar al silozului de porumb n anul de referin;

Bsil,0 - consumul de siloz n anul de referin;

TT,x1 -durata recalculat a perioadei de studiu, ce ine cont de factorul timp i creterea anual a costului silozului:

TT,x1=[1-(1+x1)-T]/x1=[1-(1+0,028)

-15]/0,028=12,11 ani;

x1 - rata sintetic: x1 = [(1+i)/(1+rsil)]-1 = [(1+0,1)/(1+0,07)]-1 = 0,028;rsil - rata anual de cretere a costului silozului.

30 31


Cheltuielile de operare i mentenan includ salariul angajailor la staia de producere a biogazului, costul materialelor consumabile, costul pieselor de schimb i a lucrrilor de reparaii curente:

CTAO&M = CO&M,0 TT,x2 = 10 920 10,55 =115 206 ;

unde CO&M,0 - cheltuielile de operare i mentenan n anul de referin :

CO&M,0 = kO&M,0 I = 0,06 182 000 = 10 920 /an;

kO&M,0 - valoarea de referin a cotei O&M, % din valoarea I;

TT,x2 -durata recalculat a perioadei de studiu, ce ine cont de factorul timp i creterea anual a cheltuielilor O&M:

TT,x2=[1-(1+x2)-T]/x2=[1-(1+0,0476)

-15]/0,0476=10,55 ani;

x2 - rata sintetic:

x2 = [(1+i)/(1+rO&M)]-1 = [(1+0,1)/(1+0,05)]-1 = 0,0476;

rO&M - rata anual de cretere a cheltuielilor O&M.

De menionat, c n calitate de an de referin, pentru care se consider cunoscute valorile numerice csil,0 i kO&M,0 , este anul ce procedeaz primul an de funcionare a staiei de biogaz.

Cunoscnd componentele CTAI i CTAoper , vom determina cheltuielile totale pe perioada de studiu, aferente staiei de biogaz

CTA = I + CTAoper = 182 000 + 331 186 = 515 186 .

Producia anual de biogaz constituie 220 mii m3 (din care circa 50% provine din silozul de porumb, ce are o pondere sub 10% n masa total de fermentare).

Costul biogazului produs la staie constituie

CNAEbio = CTA /VbioTA = 515 186/1 674 200 = 0,307 /m3 sau 307 /mie m3.

unde VbioTA - volumul de biogaz produs pe ntreaga durata de studiu, actualizat:

VbioTA = Vbio,0 TT,i = 220 000 7,61 = 1 674 200 m3;

TT,i - durata actualizat a perioadei de studiu:

TT,i=[1-(1+i)-T]/i = [1-(1+0,1)

-15]/0,1= 7,61 ani.

Vom remarca, c costul determinat al biogazului CNAEbio reprezint un cost mediu (nivelat) pe o perioad de viitor de 15 ani.

Prezint interes de a compara costul biogazului cu costul gazului natural. n acest scop, mai nti, vom recalcula costul biogazului, aducndu-l la cldura de ardere a gazelor naturale:

CNAEbio ech. = CNAEbio (QiGN /Q

ibio) = 0,307(33,5/21,7) = 0,474 /m

3 sau 474 /mie m3,

unde QiGN reprezint cldura inferioar de ardere a gazelor naturale;

Qibiogaz - cldura inferioar de ardere a biogazului.

n prezent, tariful la gazele naturale la consumatorul final constituie 6221 lei/mie m3 sau 355,5 /mie m3. n ipoteza creterii anuale a costului gazelor naturale la o rat de 8%, pe durata de 15 ani, costul nivelat al gazului natural va rezulta

TNAGN = TGN, 0 TT,x3/TT,i = 355,5 13/7,61 = 606,9 /mie m3,

unde TGN, 0 reprezint tariful la gazele naturale n anul de referin (6,221 lei/m3);

TT,x3 -durata recalculat a perioadei de studiu, ce ine cont de factorul timp i creterea anual a tarifului la gazele naturale:

TT,x3=[1-(1+x3)-T]/x3=[1-(1+0,0185)

-15]/0,0185=13,0 ani;

x3 - rata sintetic: x3 = [(1+i)/(1+rGN)]-1 = [(1+0,1)/(1+0,08)]-1 = 0,0185;

rGN - rata anual de cretere a tarifului la gazele naturale, 8%/an.

Astfel, conform calculelor de mai sus, rezult c costul nivelat al biogazului (474 /mie m3) se dovedete a fi mai mic dect costul gazului natural, livrat consumatorilor (607 /mie m3) cu cca 22%.

4.3. Dimensionarea instalaiei de cogenerare i calculul costului energiei electrice i termice produse

Dimensionarea instalaiei de cogenerare

Cantitatea de energie, nglobat n biogazul produs, constituie

Qcomb = Vbio Qibio = 220 21,7 = 4 774 GJ/an = 1 326,1 MWh/an.

Puterea nominal a instalaiei de cogenerare (puterea electric)

PW, nom = (Qcomb gl ) / (TM 2,45) = (1 326,1 0,75)/(5000 2,45) 80 kW.

32 33


Cunoscnd puterea electric necesar, din cataloagele productorilor de instalaii de cogenerare vom alege tipologia instalaiei Cento T 80, producie Tedom (Cehia).

Calculul costului energiei produse n cogenerare

Determinarea costului cldurii i electricitii pentru o instalaie de cogenerare presupune alocarea cheltuielilor totale ntre cele dou forme de energie. n acest scop se va aplica metoda cheltuielilor remanente.

Conform acestei metode, costul energiei termice produse n cadrul instalaiei de cogenerare va fi considerat egal cu costul cldurii CNAEQ,REF pentru o central termic de referin, cu o capacitate de producere similar, alimentat cu acelai tip de combustibil (biogaz), CNAEQ,REF = 60 /Gcal.

innd cont de aceasta, costul energiei electrice va rezulta din expresia -

CNAEw = (CTAIC CTAQ,REF) / WTA ,

unde CTAIC reprezint cheltuielile totale actualizate aferente producerii de energie la instalaia de cogenerare;

CTAQ,REF - cheltuielile totale actualizate aferente producerii de energie termic la sursa de referin;

WTA - volumul actualizat de energie electric produs pe perioada de studiu.

1. Volumul total de energie produs pe perioada de studiu

Volumul total de energie electric WTA = W0 TT,i = 385 7,61 = 2 929,85 MWh,

unde W0 reprezint volumul de energie electric produs n anul de referin;

W0 = Pnom,w TM = 77 5 000 = 385 MWh/an;

Pnom,w - puterea electric nominal a instalaiei de cogenerare;

TM - durata maxim de utilizare a puterii nominale.

Volumul total de energie termic produs QTA = Q0 TT,i = 481,5 7,61 = 3 665,22 Gcal,

unde Q0 reprezint volumul de energie termic produs n anul de referin;

Q0 = Pmax,Q TM = 112 5 000 = 560 MWh/an = 481,5 Gcal/an;

Pmax,Q - puterea termic maxim a instalaiei de cogenerare.

Tabelul 4.2. Datele iniiale utilizate n calculele tehnico-economice

Parametru Simbol Unitate Valoare

Puterea electric a unitii de cogenerare Pnom,W kW 77

Puterea termic Pmax,Q kW 112

Durata maxim de utilizare a puterii nominale TM h/an 5 000

Costul de achiziie al unitii cogeneratoare IIC 90 000

Costul infrastructurii conexe Iconex 10 000

Investiia pentru reparaia capital a instalaiei de cogenerare Irep 18 000

Investiia racordare reea electric public Ireea 15 000

Resursa unitii pn la prima reparaie capital Tsn h 35 000

Durata de studiu ani 15

Randamentul global al instalaiei gl % 81,5

Costul nivelat al biogazului CNAEbio /mie m3 307

Cota anual O&M, % din valoarea investiiei kO&M,0 % 6

Consumul specific de ulei lubrifiant, n anul de referin kulei,0 l/kWh 0,003

Preul de achiziie a uleiului lubrifiant, n anul de referin culei,0 Lei/l 40

Tariful la energia electric n reea, n anul de referin TW,0 Lei/kWh 1,58

Costul nivelat al energiei termice la sursa de referin CNAEQ,REF /Gcal 60

Rata de actualizare i % 10

Rata creterii anuale a consumului specific de combustibil rb % 0,5

Rata creterii anuale a cheltuielilor O&M rO&M % 5

Rata creterii anuale a consumului de ulei rv % 0,5

Rata creterii anuale a preului la ulei rulei % 6

Rata creterii anuale a tarifului electricitii n reeaua public rEE % 6

Rata de schimb valutar Rsv lei/ 17,5

34 35


2. Cheltuielile totale aferente producerii de energie

Cheltuielile totale actualizate CTACET, aferente producerii de energie pe perioada de studiu a proiectului

CTACET = CTAI + CTAoper ,

unde componentele CTAI i CTAoper reprezint cheltuielile totale actualizate, respectiv, cheltuielile cu investiia i cele operaionale.

Cheltuielile cu investiia -

CTAI = I + Irep (1 + i)-trep = 115 000 + 18 000(1 + 0,1)-7 = 124 237 ,

unde I reprezint investiia iniial n unitatea cogeneratoare:

I = IIC +Iconex+Ireea = 90 000 + 10 000 + 15 000 = 115 000 ;

IIC - costul de achiziiei al unitii cogeneratoare;

Iconex - investiia conex necesar condiionrii biogazului;

Irep - investiia n reparaia capital a unitii de cogenerare:

Irep = 0,2 IIC = 0,2 90 000 = 18 000 .

Cheltuielile totale operaionale CTAoper pe perioada de studiu, n cazul instalaiilor de cogenerare, includ cheltuielile cu combustibilul CTAcomb, pentru operare i mentenan CTAO&M i cele cu uleiul lubrifiant CTAulei

CTAoper = CTAcomb + CTAO&M + CTAulei.

Cheltuielile totale cu combustibilul -

CTAcomb = Ccomb,0 TT,x4 = 58 895 7,85 = 462 326 ,

unde Ccomb,0 reprezint costul combustibilului (biogazului) n anul de referin;

Ccomb,0 = Bcomb,0 CNAEbio = 191,84 307 = 58 895 /an;

Bcomb,0 - consumul de combustibil n anul de referin:

Bcomb,0 = bcomb,0 E0 = 0,203 945 = 191,84 mii m3/an;

bcomb,0 - consumului specific de combustibil n anul de referin:

bcomb,0 = 1/(glQibiogaz)=1/( 0,81521,7) = 0,056 m

3/MJ = 0,203 m3/kWh;

gl - randamentul global al unitii cogeneratoare;

Qibiogaz - cldura inferioar de ardere a biogazului;

E0 - volumul total de energie produs (cldur i electricitate) n anul de referin:

E0 = W0 + Q0 = 385 + 560 = 945 MWh/an;

TT,x4 - durata recalculat a perioadei de studiu, determinat la rata x4:

TT,x4=[1-(1+x4)-T]/x4=[1-(1+0,0945)

-15]/0,945=7,85 ani;

x4 - rata sintetic:

x4=[(1+i)/(1+rb)]-1=[(1+0,1)/(1+0,005)]-1= 0,0945;

rb - rata creterii anuale a consumului specific de combustibil.

Cheltuielile totale de operare i mentenan

CTAO&M = CO&M,0 TT,x5 = 6 900 10,55 = 72 795 ,

unde CO&M,0 reprezint valoarea cheltuielilor O&M n anul de referin:

CO&M,0 = kO&M I = 0,06 115 000 = 6 900 /an;

kO&M,0 - valoarea cotei cheltuielilor O&M, % din valoarea investiiei iniiale, n anul de referin;


TT,x5=[1-(1+x5)-T]/x5=[1-(1+0,0476)

-15]/0,0476=10,55 ani;

x5 - rata sintetic:

x5 = [(1+i)/(1+rO&M)]-1 = [(1+0,1)/(1+0,05)]-1 = 0,0476;

rO&M - rata creterii anuale a cheltuielilor O&M.

Cheltuielile totale cu uleiul lubrifiant -

CTAulei = Culei,0 TT,x6 = 2 645 11,72 = 30 999 ,

unde Culei,0 reprezint cheltuielile cu uleiul lubrifiant consumat, n anul de referin:

Culei,0 = Vulei,0 culei,0 = 1 155 2,29 = 2 645 /an;

Vulei,0 - volumul de ulei consumat n anul de referin:

Vulei,0 = W0 kulei,0 = 385 000 0,003 = 1 155 l/an;

36 37


W0 - electricitatea produs n anul de referin;

kulei,0 - consumul specific de ulei n anul de referin;


TT,x6=[1-(1+x6)-T]/x6=[1-(1+0,0326)

-15]/0,0326=11,72 ani;

x6 - rata sintetic:

x6=[(1+i)/(1+rv)(1+rulei)]-1= [(1+0,1)/(1+0,005)(1+0,06)]-1= 0,0326;

rv - rata creterii anuale a consumului specific de ulei;

rulei - rata creterii anuale a preului la ulei.

n cele din urm -

CTAoper = CTAcomb + CTAO&M + CTAulei = = 462 326 + 72 795 + 30 999 = 566 120 .

Cheltuielile totale aferente producerii energiei la instalaia de cogenerare pe durata de 15 ani constituie

CTACET = CTAI + CTAoper = 124 237 + 566 120 = 690 357 .

3. Cheltuielile totale aferente producerii de energie termica la sursa de referin

CTAQ,REF = CNAEQ,REF QTA= 60 3 664,22 = 219 853 ,

unde CNAEQ,REF reprezint costul nivelat al energiei termice produse la o central termic de referin, pentru care avem cel mai mic cost din regiune;

QTA - volumul total actualizat al energiei termice produse.

4. Costul energiei electrice produs la sursa de cogenerare

CNAEw = (CTACET - CTAQ,REF) / WTA = (690 357 - 219 853)/2 929 850 =

= 16,1 c/kWh.

4.4. Determinarea rentabilitii proiectului

Costul mediu al energiei electrice, produse din biogaz, urmeaz a fi comparat cu costul electricitii furnizate din reeaua public.

Dac n prezent tariful la electricitate, stabilit de ANRE, este de 1,58 lei/kWh sau Tw,0 = 9 c/kWh, i el se ateapt s creasc pe viitor cu cca 6% anual, atunci tariful mediu pe durata de 15 ani va constitui

TNAEw,retea = Tw,0 TT,x7/TT,i = 9 11,3/7,61 = 13,4 c/kWh.

unde TT,x7 = [1-(1+x7)-T]/x7=[1-(1+0,0377)-15]/0,0377 = 11,3 ani;

x7 = [(1+i)/(1+rEE)]-1 = [(1+0,1)/(1+0,06)]-1 = 0,0377.

Costul mediu al energiei produse din biogaz, ce constituie 16,1 c/kWh, se dovedete a fi mai mare dect costul energiei furnizate din reeaua public - de 13,4 c/kWh. De aici clar rezult c producerea electricitii din biogaz in condiiile actuale ale Republicii Moldova, nu este atractiv.

Paradoxal, biogazul produs este mai ieftin ca gazul natural, ns electricitatea produs din biogaz se dovedete a fi mai scump dect cea furnizat din reeaua electric! Aceast situaie are explicaie: electricitatea furnizat din reea este procurat la un cost mai mic dect cel ce ar corespunde producerii locale.

Important de menionat, c pentru o asemenea situaie statul ofer sprijin financiar (vezi paragraful 1.3).

Evident, productorul de biogaz, ar putea furniza acest combustibil consumatorilor locali, pentru substituirea folosirii gazului natural.

38 39


RefeRine

[1] www.indiamart.com/krishnagangaa-enviro-system/bio-gas-plant.html[2] www.vietnambreakingnews.com/2013/01/koica-assists-in-improving-farmer -li-

ving-conditions/

[3] www.summitclimb.com/new/default.asp?vid=789&ltitle=Mount

[4] www.enerintown.org/partners_municipalities/tea__ireland/north_tipperary_co-coroscrea_wwtp

[5] www.acv.com/be-fr/03_04/146/app.rvb

[6] www.devotionmechsys.com/devotion%20Horizontal-vertical-hot-water-boiler.php

[7] www.jsonline.com/business/35635069.html

[8] www.energypedia.info/wiki/Digester_Heating

[9] www.eppenberger-media.ch/biogasanlagen-und-gemusebau-je-nachdem-eineloh-nende-partnerschaft/

[10] www.fluidynenz.250x.com/Dec2011/callin.html

[11] www.puyangpower.en.made-in-china.com/product/VbWJAzhdEwcD/China 100kw-125kVA-Natural-Gas-Generator-with-CE-Certificate.html

[12] www.bhkw.tedom.com/galerie-kogeneracni%20jednotky-a-23.html

[13] www.ofatec.ch/index.php?page=groupes_05

[14] www.greenpower.en.busytrade.com/products/info/98201/Ng-Generator.html

[15] www.smellofdeath.com/lloydy/piston_diag_guide.htm

[16] www.condition-monitoring.com/bunker_fuel_sulphur.htm

[17] www.english.hzch4.com/

[18] www.basestructures.com/biogas/case-studies/burdens-case-study.html

[19] www.omafra.gov.on.ca/english/engineer/facts/biomethane.htm

[20] www.blog.anaerobic-digestion.com/biogas-2/pipeline-quality-gas-from-anaero-bic-digestion-goes-ahead-in-quebec

BiBliogRafie

1. T. Al Seadi, D. Rutz, H. Prassl, [et. al.], Biogazul. Ghid Practic, Biogas for Eastern Europe, 2008.

www.big-east.eu/downloads/Final%20National%20Handbooks/BiG- East%20Handbook%20Romania.pdf

2. Paunescu G. Paraschiv. Managementul mediului i obinerea biogazului n fermele suinicole. Facultatea Ingineria Sistemelor Biotehnice UPB, 2005.

3. V. Nikoli. Producerea i utilizarea biogazului pentru obinerea de energie, Suport de curs, Asociaia Biocombustibilii n Romnia, 2006.

http://www.nikolicivasilie.ro/lucrari-stiintifice/Biogaz%20curs.pdf

4. V. Arion, C. Bordeianu, A. Bocneanu i alii. Biomasa i utilizarea ei n scopuri energetice. Chiinu: Garomond-Studio, 2008.

5. V. Arion, C. Gherman, T. Tutunaru. Fezabilitatea economico financiar a producerii energiei electrice i termice la mini-CET prin valorificarea bioga-zului. Meridian Ingineresc, UTM, 1/2009.

6. www.biogazul.ro

7. www.zootehnia.biogazul.ro

40 41


Anexa 1

CANTITATEA DE GUNOI DE GRAJD I PRODUCIA DE BIOGAZ LA FERME

Tabelul A.1. Cantitatea de gunoi de grajd la ferm, tone

Specie Perioad Numr de animale la ferm, capete50 100 200 300 500 1 000

Bovinezi 1 3 5 8 14 27lun 42 83 167 250 417 833an 500 1 000 2 000 3 000 5 000 10 000

Porcinezi 0 0 1 1 2 4lun 7 13 27 40 67 133an 80 160 320 480 800 1 600

Cabalinezi 1 2 3 5 8 16lun 25 50 100 150 250 500an 300 600 1 200 1 800 3 000 6 000

Ovine zi 0 0 0 0 1 2lun 3 5 10 15 25 50an 30 60 120 180 300 600

Tabelul A.2. Volumul* fermentatorului n funcie de numrul de animale la ferm, m3

Specie Numrul de animale, capete

50 100 200 300 500 1 000

Bovine 53 105 210 315 526 1 051

Porcine 9 17 35 52 87 173

Cabaline 31 62 124 186 310 620

Ovine 3 6 12 18 30 61

* la frecvena de ncrcare a fermentatorului - o dat la 30 de zile

Tabelul A.3. Producia de biogaz n funcie de numrul de animale la ferm, m3

Specie PerioadNumrul de animale, capete

50 100 200 300 500 1 000

Bovinezi 31 61 123 184 307 614lun 933 1 867 3 733 5 600 9 333 18 667an 11 200 22 400 44 800 67 200 112 000 224 000

Porcinezi 11 21 42 63 105 211lun 320 641 1 282 1 922 3 204 6,408an 3 845 7 690 15 379 23 069 38 448 76 896

Cabalinezi 35 69 139 208 347 693lun 1 055 2 109 4 219 6 328 10 547 21 094an 12 656 25 313 50 625 75 938 126 563 253 125

Ovine zi 3 7 13 20 33 66lun 100 200 400 600 1 000 2 000an 1 200 2 400 4 800 7 200 12 000 24 000

Tabelul A.4. Numrul de case individuale asigurate pe durata ntregului an cu biogazul rezultat de la fermele de animale

Specie Necesiti consum energieNumrul de animale la ferm, capete

50 100 200 300 500 1 000

Bovine

Gtit 31 61 122 183 305 610

Gtit+ACM 14 27 55 82 137 275

Gtit+ACM+nc 4 7 15 22 37 73

Porcine

Gtit 11 23 46 69 114 228

Gtit+ACM 5 10 21 31 51 103

Gtit+ACM+ nc 1 3 5 8 14 27

Cabaline

Gtit 41 83 165 248 414 827

Gtit+ACM 19 37 74 112 186 372

Gtit+ACM+ nc 5 10 20 30 50 99

Ovine

Gtit 4 8 15 23 39 77

Gtit+ACM 2 3 7 10 17 35

Gtit+ACM+ nc 0 1 2 3 5 9

42 43


Tabelul A.5. Volumul* recipientului de stocare a biogazului pentru necesiti de nclzire, m3


Bovine 4 725 9 451 18 902 28 353 47 255 94 510

Porcine 1 622 3 244 6 489 9 733 16 222 32 444

Cabaline 5 340 10 680 21 360 32 039 53 399 106 798

Ovine 506 1 013 2 025 3 038 5 063 10 126

* determinat n ipoteza utilizrii biogazului produs n perioada de var n proporie de 26% (Gtit + ACM); durata de stocare 210 zile; presiunea - atmosferic

Tabelul A.6. Puterea instalat* a generatorului electric acionat de un motor cu ardere intern, kW


Bovine 3,7 7,4 14,7 22,1 36,8 73,6

Porcine 1,4 2,8 5,5 8,3 13,8 27,6

Cabaline 5,0 10,0 20,0 29,9 49,9 99,8

Ovine 0,5 0,9 1,9 2,8 4,7 9,3

* determinat n ipoteza funcionrii instalaiei de cogenerare la TM = 5 000 h/an i e = 30%

Tabelul A.7. Cantitatea de gunoi de grajd rezultat i producia de biogaz la fabrici de psri

Indicator PerioadNumrul de psri la fabric, capete

500 1 000 2 000 5 000 10 000 20 000

Cantitatea de gunoi de grajd, tone

zi 0,04 0,08 0,2 0,4 0,8 1,6

lun 1,3 2,5 5 13 25 50

an 15 30 60 150 300 600Volumul fermentatorului, m3 30 zile

2 3 7 16 33 65

Producia de biogaz, m3

zi 4 8 16 39 79 158

lun 120 240 480 1 199 2 398 4 795

an 1 439 2 877 5 754 14 386 28 772 57 544

Tabelul A.8. Numrul de case individuale asigurate pe durata ntregului an cu biogazul rezultat de la fabrici de psri i volumul acumulatorului

Necesitate Numrul de psri la fabric, capete500 1 000 2 000 5 000 10 000 20 000

Gtit 5 10 19 48 97 194

Gtit+ACM 2 4 9 22 44 87

Gtit+ACM+ nc 1 1 2 6 12 23

Acumulator, m3 607 1 214 2 428 6 070 12 139 24 279

Tabelul A.9. Puterea instalat a generatorului electric acionat de un motor cu ardere intern, kW

Numrul de psri la fabric500 1 000 2 000 5 000 10 000 20 000

0,6 1,2 2,3 5,8 11,7 23,4

44

Utilizarea biogazului la producerea cldurii i electricitiiGhid

Anexa 2

GLOSAR DE TERMENI

Biogaz: amestec de gaze combustibile care se formeaz prin descompunerea biologic a substanelor organice ntr-un mediu umed n lips de oxigen (fer-mentarea anaerob).

Cldura de ardere a combustibilului (sinonim - puterea caloric, cldura in-ferioar de ardere, valoarea caloric net): exprim cantitatea de cldur care rezult prin arderea complet a unei uniti de combustibil i rcirea gazelor de ardere pn la temperatura de 25 C. Cldura de ardere a combustibililor solizi i lichizi se exprima n kJ/kg sau kcal/kg, iar a celor gazoi n kJ/mN .

Cogenerare: producerea concomitent a cldurii i electricitii n cadrul unei i aceleiai instalaii la arderea unui combustibil.

Feed in Tarif: tarif fix, stabilit pe o perioad de 15-25 ani, pentru electricitatea provenit din resurse de energie regenerabil, difereniat pe tipul materiei prime i puterea instalaiei.

Gaz Natural (GN): amestec de hidrocarburi uoare, n principal metan (80-99%), ce se degaj n mod natural din pmnt, utilizat n principal ca com-bustibil. Cldura de ardere inferioar: 30 - 40 MJ/mN (sau 8,2 - 11,1 kWh/mN); pentru GN furnizat n Moldova - 33,5 MJ/mN .

Gaz Natural Comprimat (GNC): gaz natural care a fost comprimat la presi-uni ridicate i pstrat ntr-un container. Gazul se dilat atunci cnd este utilizat ca combustibil.

Instalaii de biogaz pe deeuri: instalaiile de biogaz care utilizeaz deeuri industriale sau municipale organice ca materie prim.

Metru cub normal (m3n ): unitatea metric de msur a volumul unui gaz la condiii normale (standard) - la o presiune de 1 atmosfer i temperatu-ra, conform DIN 1343, de 273,15 K ( 0 C) sau conform ISO 2533 de 288,15 K (15 C).

Documents

Brosura-6 biogazul O.SVET