Noţiuni de bază despre biogaz

Sprijinit de

Dezvoltarea unei pieţe

durabile pentru biogaz în

Europa Centrală şi de Est

Contract Nr. IEE/09/848 SI2.558364 | Durata proiectului 01/05/2010 – 31/10/2012

Biogazul, sursă regenerabilă de energie

Trinergi Grup, România

1. Noţiuni de bază despre biogaz 1.1. Stadiul actual în ceea ce priveşte biogazul

1.2. Tehnologia de obţinere a biogazului

1.3. Tipuri de instalaţii de biogaz

1.4. Energie din biogaz şi căile sale de utilizare

2. Beneficiile biogazului

3. Politicile şi potenţialul de biogaz al UE

Cuprins


Stadiul actual în ceea ce priveşte biogazul Nu există nicio bază legală pentru proiectele de biogaz, în particular. Legislaţia a

fost emisă pentru toate proiectele de construcţii. Proiectele de energie

trebuie să respecte toate cerinţele generale pentru proiecte de construcţii,

dar, de asemenea, cele ale agenţiei naţionale de energie (Autoritatea

Nationala de Reglementare în domeniul Energiei - ANRE). În acelaşi timp, nu

există legi speciale pentru biogaz, astfel, de exemplu, nu există reguli pentru

introducerea biogazului în reţeaua naţională de gaze naturale. Noua lege a

energiei regenerabile nu influenţează procedura de autorizare în mod direct,

dar va ajuta la promovarea noilor instalaţii de biogaz. O serie de legi sunt

importante în procedura de autorizare, de certificare şi de acordare de

licenţe.

În ceea ce priveşte tehnologia, deşi România este printre ţările care a avut în

trecut preocupări serioase pentru obţinerea biogazului, în prezent se preferă

importul de tehnologie şi echipamente, date fiind expertiza şi rezultatele

obţinute de către ţări în care această tehnologie este consolidată şi dovedit

viabilă economic.

Noţiuni de bază despre biogaz



Tehnologia de obţinere a biogazului (1) Producerea biogazului prin AD (Digestie Anaerobă) este utilizată pe scară largă

de către societatea modernă, pentru tratamentul gunoiului de grajd şi altor

reziduuri. Scopul este de a produce energie regenerabilă şi de a îmbunătăţi

calităţile acestor materiale ca îngrăşăminte. În ţările cu producţie agricolă

importantă, consolidarea legislaţiei de mediu şi a regulamentărilor cu privire

la gunoiul de grajd şi la reciclarea deşeurilor vegetale au crescut interesul

pentru AD, ca o soluţie ieftină şi „prietenoasă” cu mediul. Cele mai recente

evoluţii în Europa, Statele Unite ale Americii şi alte părţi ale lumii au arătat

interesul în creştere în rândul agricultorilor pentru cultivarea de culturi

energetice, utilizate ca materie primă pentru producerea de biogaz. AD

reprezintă astăzi o tehnologie standard pentru stabilizarea nămolurilor de

epurare primare şi secundare, de tratare a deşeurilor industriale organice din

industriile de prelucrare a alimentelor şi de produse fermentate, precum şi

pentru tratarea fracţiunii organice a deşeurilor municipale solide. O aplicaţie

specială este recuperarea biogazului de la gropile de gunoi existente.


Tehnologia de obţinere a biogazului (2)

Materia primă

Gunoiul de grajd şi nămoluri animaliere

o conţinutul natural de bacterii anaerobe;

o continut ridicat de apa (4-8% materie uscată în

reziduuri), acţionând ca solvent pentru alte co-

substraturi şi asigurând o amestecare adecvată a

biomasei şi fluiditate;

o preţuri mici;

o accesibilitate ridicată, fiind colectate

ca reziduuri de la crescatoriile de animale;

o AD a gunoiului de grajd şi a nămolurilor

îmbunătăţieşte valoarea lor ca îngrăşământ

(conţinutul de nutrienţi).




Materia primă

Nămolurile de epurare

Digestia nămolurilor de epurare asigură beneficii semnificative atunci când acestea

sunt reciclate prin depozitarea pe teren. Procesul de digestie asigură igienizarea şi

reduce, de asemenea, potenţialul miros al nămolului. De obicei între 30 şi 70% din

nămolurile de epurare sunt tratate prin AD, în funcţie de legislaţia şi priorităţile

naţionale. Energia generată alimentează staţia de epurare a apelor uzate, iar la

instalaţiile mai mari rezultă un exces de biogaz care poate fi exportat ca atare, sau

ca energie. Tehnologia pentru digestia nămolurilor de epurare este bine stabilită.

Deşeuri municipale solide (MSW)

Deşeurile organice din gospodării şi de la autorităţile municipale furnizează materie

primă potenţială. pentru digestia anaerobă. Opţiuni există pentru tratarea separată

a fracţiunilor curate, atât ca sursă pentru reciclare, cât şi pentru conţinutul de

energie şi de materie organică. Alternativ, deşeurile nesortate pot fi tratate pentru

a obtine biogaz, precum şi pentru a fi stabilizate pentru a preveni alte probleme la

gropile de gunoi.




Materia primă

Deşeurile agricole

Instalaţiile agricole pentru tratarea deşeurilor prin digestie sunt utilizate pe scară largă în întreaga

lume, în ţările în curs de dezvoltare şi cele dezvoltate din de punct de vedere tehnologic. În

comunităţile rurale sunt tipice unităţile de dimensiuni mici, Nepal având în jur de 47000

asemenea digestoare iar China, 6 milioane digestoare mici. Aceste instalaţii sunt utilizate în

general pentru furnizarea de gaz pentru gătit şi pentru iluminat, pentru o singură gospodărie.

În ţările mai dezvoltate, instalaţiile AD agricole la scară de fermă, sunt în general mai mari, iar

gazul este utilizat pentru a genera căldură şi energie electrică, pentru funcţionarea instalaţiilor

agricole şi pentru export. Aceste instalaţii de digestie la nivel de fermă sunt simple, de tip tanc

cu agitare, care utilizează timpi lungi de retenţie ca să asigure tratamentul necesar. Evoluţiile

moderne ale digestiei deşeurilor agricole au dezvoltat conceptul de digestie anaerobă

centralizată (CAD), caz în care, mai multe ferme cooperează pentru a alimenta o singură

instalaţie de digestie mai mare. Deşeurile furnizate de către acestea sunt în principal deşeuri

agricole şi reziduuri de producţie dar, în unele cazuri, sunt, de asemenea, tratate şi mici

cantităţi de deşeuri industriale şi municipale. Există beneficii semnificative de la folosirea

acestor acorduri de cooperare, în ceea ce priveşte managementul nutrienţilor şi beneficii

economice, dar acest lucru necesită depăşirea obstacolelor iminente şi încredere în controlul

calităţii şi în igienizarea asigurate de proces.




Materia primă

Deşeurile industriale

Deşeurile organice solide de la industrie sunt din ce în ce mai mult luate în vizor de

către legislaţia de mediu. Tratamentul acestor deşeuri prin AD asigură câştigarea

unei valori suplimentare prin produsele furnizate şi prin reducerea costurilor

evacuării lor. În plus, tratamentul corespunzător al deşeurilor poate fi făcut pentru

a înbunătăţi imaginea ecologică a industriei considerate.

AD a apelor uzate industriale tinde să devină o tehnologie standard. În timp AD este

doar o etapă iniţială în tratamentul apei ca aceasta să ajungă la calitate mare, se

poate reduce semnificativ costul şi dimensiunea staţiei, comparativ cu tratamentul

în întregime de aerob.

Potenţialul de a funcţiona la temperaturi de peste 50 °C face ca procesul de AD să fie

adecvat pentru igienizare. Digestoarele pot fi proiectate să funcţioneze în

întregime la această temperatură, sau ca o etapă post-tratament, la o temperatură

mai joasă. În plus faţă de acţiunea temperaturii, mediu chimic anaerob sporeşte

efectul de igienizare.




Materia primă

Limitele AD

Ca şi în cazul tuturor proceselor biotehnologice există şi câteva limite ale procesului de AD. Cea

mai importantă limită este incapacitatea procesului de a degrada lignina, o componentă

majoră din lemn. În ciuda acestei incapacităţi, mai multe programe de cercetare au folosit cu

succes plantele acvatice şi marine, ierburi ca iarba Napier, şi biomasă lemnoasă, ca materie

primă pentru procesul AD.

Materiile prime care conţin lignină, celuloză şi hemiceluloză pot fi supuse AD, în co-digestie cu

alte materii prime printre care şi culturi energetice, însă după un pre-tratament de delignificare,

pentru a putea spori randamentul digestiei lor.

O altă limitare este reprezentată de contaminarea chimică şi biologică a materiei prime, care

poate afecta procesul de AD. Mai mult, controlul calităţii tuturor tipurilor de materii prime este

esenţial pentru a asigura o reciclare în condiţii de siguranţă a digestatului ca îngrăşământ.

Deşeurile de origine animală necesită o atenţie deosebită dacă sunt utilizate ca substrat

pentru AD. Regulamentul nr. 1774/2002 al Parlamentului European, prevede norme de

sănătate în ceea ce priveşte manipularea şi utilizarea subproduselor de origine animală care

nu sunt destinate consumului uman.



Tipuri de instalaţii de biogaz (1) Proiectarea si tehnologia pentru instalaţiile de biogaz diferă de la o ţară la alta,

în funcţie de condiţiile climatice şi de cadrele naţionale (legislaţia şi politicile

energetice), disponibilitatea şi accesibilitatea energiei. În funcţie de

dimensiunea relativă a acestora, şi de localizarea lor, instalaţiile agricole AD

pot fi clasificate astfel:

• instalaţiile de biogaz de nivel familial (la scară foarte mică);

• instalaţiile de biogaz la nivel de fermă (mici, mijlocii, sau la scară mare);

• instalaţii centralizate / unificate de co-digestie (medii, sau la scară mare).

Instalaţii de biogaz agricol

Există mai multe tipuri şi conceptele pentru instalaţiile de biogaz agricol din întreaga lume.

În Europa, ţări precum Germania, Austria şi Danemarca sunt printre pionierii producţiei

de biogaz agricol. Interesul agricultorilor europeni în aplicaţiile AD este în creştere în

zilele noastre, nu numai pentru că producţia de biogaz agricol transformă deşeurile în

produse valoroase şi produce îngrăşământ de înaltă calitate, dar, de asemenea,

deoarece creează noi oportunităţi de afaceri pentru fermieri şi le dă un nou statut, ca

furnizori de energie regenerabilă.



Tipuri de instalaţii de biogaz (2)


Experienţa din ultimii 20 de ani a demonstrat că cel mai bun mod de a realiza o instalaţie de biogaz, ce

foloseşte gunoi ca substrat major, produse alimentare şi suplimentar culturi energetice. Fiecare

dintre aceste instalaţii trebuie să fie compusă din componente standard, calculate în conformitate

cu activitatea fermei şi montate individual. Pentru a reduce costurile, în medie cu până la 30%,

lucrările pot fi efectuate de către proprietarul fermei însuşi. Recent, s-a realizat o standardizare

suplimentară per fermă, pentru instalaţiile de biogaz, prin care agricultorii cu abilităţi tehnice reduse

pot produce, de asemenea, biogaz, în instalaţii low cost „la cheie”.

Tipic, aceste instalaţii au un principiu comun: gunoiul este colectat intr-un rezervor de pre-depozitare, în

apropiere de digestor şi pompat în digestor, care este un rezervor etanş de gaz, din otel sau beton,

izolat pentru a menţine o temperatură de proces constantă. Timpul mediu de retenţie (HRT) este de

obicei între 20 şi 40 de zile, în funcţie de tipul de substrat şi de temperatura de digestie. Digestatul

este utilizat ca îngrăşământ pe exploataţie, iar surplusul este vândut la fermele din zona din

apropierea instalaţiei. Biogazul produs este utilizat într-un motor cu gaz, pentru producerea de

electricitate şi căldură. 10 până la 20% din căldura şi energia electrică produse este utilizată pentru

funcţionarea instalaţiei de biogaz şi pentru nevoile interne ale agricultorului, iar surplusul este

vândut la companiile de electricitate şi, respectiv, la consumatorii de căldură vecini.






a)

b)

c)

a) Instalaţie de tip fermier

standard

b) Schemă a unei instalaţii de

biogaz fermier cu digestor

orizontal din oţel

c) Schema unui digestor agricol

obişnuit




Toate digestoarele standard europene sunt constituite dintr-un recipient de beton

deasupra solului, prevăzut cu un capac de cauciuc. Fie au o membrană cu o singură

foaie din EPDM (cauciuc de clasa M, propilen-etilen-dienic), fie o membrană dublu-

strat. Membrana interioara flexibilă, este cea care ţine etanş gazul, ca şi capacul cu o

singură foaie, iar membrana exterioara este pentru protecţie împotriva intemperiilor.

Acesta din urmă este în formă de minge datorită unei insuflări de aer mentine o uşoară

suprapresiune. Dimensiunile standard sunt cuprinse între 500 şi 1500 m3, cu o înălţime

tipică de 5 sau 6 m şi diametre între 10 şi 20m. Sistemele de amestecare sunt aceleaşi

ca şi pentru cele de tip îngropat.

Digestoarele de dimensiuni mari au de obicei două sau chiar trei mixere atunci când sunt

încărcate cu co-substraturi solide. Dimensiunile acestora sunt între 800 şi 3000m3.

Unele dintre digestoare sunt construite din beton însă cele mai multe dintre ele sunt

realizate din oţel acoperit cu email sau sticlă (cum sunt Harvestor, Permastor sau

altele la fel). Înălţimea standard este de 10 - 15m şi diametre între 10 şi 18m, cu un

raport diametru : înălţime de 2:1 - 3:01. Toate aceste digestoare mari prezintă un

agitator central şi eventual un agitator suplimentar pentru a preveni formarea de

spumă sau sedimente.




Instalaţii centralizate (unificate) cu co-digestie

Co-digestia centralizată este un concept bazat pe fermentarea gunoiului de grajd şi a

reziduurilor, colectate de la mai multe ferme, într-o instalaţie de biogaz central, în zona

de colectare a gunoiului de grajd. Locaţia centrală a instalaţiei de biogaz are scopul de

a reduce costurile, timpul şi forţa de muncă pentru transportul de biomasă la şi de la

instalaţia de biogaz.

Instalaţiile centralizate cu co-digestie (numite şi instalaţii unificate cu co-digestie) au fost

dezvoltate şi sunt în mare măsură utilizate în Danemarca, dar şi în alte regiuni ale

lumii, cu crerştere intensivă a animalelor. Suedia urmează, cel puţin parţial, exemplul

danez. Datorită noilor tarife fixe (feed-in) pentru energia electrică, cel mai mare număr

de noi instalaţii centralizate mari sunt construite în Germania şi Austria.

Digestatul pompat din digestor, este transferat prin conducte la rezervoarele de stocare

temporară. În multe cazuri, aceste rezervoare sunt acoperite cu o membrana

impermeabilă pentru gaz, pentru colectarea producerii suplimentare de biogaz (până la

15% din total), care are loc la temperaturi mai scăzute.




Instalaţii centralizate (unificate) cu co-digestie

Înainte de a părăsi instalaţia de biogaz, digestatul este analizat şi stabilită concentraţia de

nutrienţi (DM – materia uscată, VS – substanţe volatile, N, P, K, şi pH-ul). Furnizorii de

gunoi de grajd pot lua înapoi numai cantitatea de digestat, care li se permite prin lege

să fie împrăştiată pe terenurile lor. Excesul este vândut ca îngrăşământ agricultorilor

pentru culturile din zone apropiate. În toate cazurile, digestatul este integrat în planul

de fertilizare a fermei, în locul îngrăşămintelor minerale, pentru închiderea ciclului

carbonului şi reciclarea nutrienţilor. Din ce în ce mai multe instalaţii de biogaz sunt, de

asemenea, echipate cu instalaţii de separare a digestatului în fracţiuni lichide şi solide.


Conform legislaţiei europene, trebuie să fie

efectuat un proces controlat de

salubrizare a anumitor tipuri de substrat

de origine animală, înainte de

introducerea în digestor, care prevede

reducerea efectivă a agenţilor patogeni

şi a seminţelor de buruieni şi asigură

reciclarea în condiţii de siguranţă a

digestatului. Contract Nr. IEE/09/848 SI2.558364 | Durata proiectului 01/05/2010 – 31/10/2012



Instalaţii centralizate

(unificate) cu co-

digestie

Conceptul integrat al

unei instalaţii de co-

digestie centralizate



Staţii pentru tratarea apelor uzate

Procesul AD este în mod frecvent utilizat pentru tratarea nămolului primar şi secundar

rezultat în urma tratamentului aerob al apelor reziduale orăşeneşti. Sistemul este

aplicat în multe ţări dezvoltate, în combinaţie cu sisteme avansate de tratare a apelor

uzate. Procesul AD este folosit pentru stabilizarea şi reducerea cantităţii finale de

nămol.

În mod obişnuit, în ţările europene, între 30-70% din cantitatea de nămoluri provenite din

sistemul de canalizare este tratată cu ajutorul tehnologiei AD, în funcţie de legislaţie şi

de priorităţile naţionale. Sunt încă ţări în care efluentul este deversat în gropile de

gunoi. Această practică are consecinţe negative asupra mediului, din cauza infiltrării

nutrienţilor în apele freatice şi a emisiilor de GES în atmosferă, fiind interzisă în cele

mai multe ţări europene.




Instalaţii pentru tratarea deşeurilor municipale solide (MSW)

În multe ţări, deşeurile solide orăşeneşti sunt colectate, amestecate şi incinerate în uzine

energetice mari sau depozitate în rampe de gunoi. În realitate, această practică

risipeşte energie şi nutrienţi, atât timp cât fracţia organică ar putea fi separată de

restul deşeurilor şi folosită ca materie primă pentru procesul AD. Chiar şi deşeurile

colectate în vrac pot fi ulterior procesate şi utilizate pentru producerea de biogaz.

Cunoaşterea originii deşeurilor organice este importantă pentru determinarea celei mai

potrivite metode de tratament. Deşeurile menajere sunt, în general, prea umede şi

lipsite de structuri pretabile compostării aerobe, însă reprezintă o materie primă

excelentă pentru AD. Pe de altă parte, deşeurile lemnoase conţin proporţii mari de

substanţe lignocelulozice care, dacă nu sunt pre-tratate, sunt mai potrivite pentru AD.

Utilizarea fracţiei organice separată la sursă din deşeuri menajere în scopul producerii

biogazului prezintă un potenţial foarte ridicat. Scopul este acela al reducerii fluxului de

deşeuri organice către alte sisteme de tratare, cum ar fi rampele de gunoi sau

facilităţile de incinerare, şi de a le redirecţiona către sistemele de reciclare a

nutrienţilor din sectorul agricol.




Instalaţii de biogaz industrial

Procesele anaerobe sunt folosite pentru tratarea deşeurilor industriale şi a apelor reziduale

de mai mult de un secol. Procesul AD aplicat deşeurilor industriale şi apelor reziduale

reprezintă astăzi o tehnologie standard.

Procesul AD aplicat deşeurilor industriale şi apelor reziduale reprezintă astăzi o tehnologie

standard pentru tratarea acestor tipuri de reziduuri, provenite dintr-o serie de industrii,

de la cea de procesare a alimentelor, agro-industrii, până la industria farmaceutică.

De asemenea, această tehnologie poate fi utilizată şi pentru pre-tratarea apelor reziduale

industriale încărcate cu substanţe organice, înainte de evacuarea finală. Datorită

îmbunătăţirilor recente ale tehnologiilor de tratare, pot fi supuse digestiei anaerobe

inclusiv apele industriale reziduale diluate.

Europa se află pe o poziţie de lider în lume în privinţa acestei aplicaţii a AD. În ultimii ani,

consideraţiile energetice şi preocupările de mediu au crescut şi mai mult interesul

pentru tratamentul anaerob direct al deşeurilor industriale organice, din ce în ce mai

serios luate în considerare de către legislaţia de mediu.




Instalaţii de biogaz industrial

Industriile care utilizează procesul AD pentru tratarea apelor uzate aparţin următoarelor

categorii:

o Industriile de procesare a alimentelor: industria de conservare a legumelor, a fabricării

lactatelor şi a brânzeturilor, abatoare, industria procesării cartofilor etc.

o Industria băuturilor: fabrici de bere, de băuturi nealcoolice, distilerii, industria cafelei,

industria sucurilor de fructe etc.

o Produse industriale: industria hârtiei şi cartonului, a cauciucului, industria chimică, cea

a fabricării amidonului, industria farmaceutică etc.

Instalaţiile de biogaz industrial oferă un număr de beneficii la nivelul societăţii, dar şi al

industriilor respective, astfel:

o Valoare adăugată prin reciclarea nutrienţilor şi reducerea costurilor de eliminare a

deşeurilor.

o Biogazul este utilizat pentru generarea energiei de procesare.

o Tratamentul deşeurilor îmbunătăţeşte imaginea de mediu a industriilor respective.




Recuperarea gazului de la gropile de gunoi poate fi

optimizată printr-un management corespunzător al

acestora, precum: tăierea deşeurilor, recircularea

fracţiei organice şi tratarea gropii de gunoi ca pe un

bioreactor. Un bioreactor - groapă de gunoi este, în

mod obişnuit, împărţit în mai multe celule şi este

prevăzut cu un sistem de colectare a reziduurilor

lichide de la baza acestora, colectate şi pompate la

suprafaţă, fiind apoi distribuite peste toate celulele

componente ale bioreactorului. Acest lucru transformă

groapa de gunoi într-un digestor de dimensiuni foarte

mari pentru deşeuri solide.


Instalaţii pentru recuperarea gazului de la gropile de gunoi

Gropile de gunoi pot fi considerate nişte instalaţii anaerobe mari, cu diferenţa că procesul de

descompunere este mai puţin continuu şi depinde de vârsta acestora. Recuperarea gazului de la

gropile de gunoi este esenţială pentru protecţia mediului, în principal pentru că reduce emisiile de

metan şi alte gaze nocive în atmosferă. Gazul de la gropile de gunoi reprezintă o sursă de energie

ieftină, cu o compoziţie similară cu cea a biogazului produs în instalaţiile de biogaz. Gazul de la

gropile de gunoi poate conţine şi gaze toxice, rezultate prin descompunerea substanţelor din

deşeurile depozitate.


Energie din biogaz şi căile sale de utilizare (1)

Componentele principale ale biogazului:

50 – 75 % metan (determină conţinutul energetic!)

20 – 45 % CO2

Urme de alte gaze, hidrogen şi vapori de apă

Conţinutul de energie al biogazului:

1 m³ biogaz = 5,0 – 7,5 kWh = 1,5 – 3.0 kWhel

1 m³ biogaz este echivalent cu cca. 0,6 litri de combustibil greu

1 m³ biometan = 9 - 11 kWh

Instalaţiile de co-generare (CHP) produc electricitate până la 7 500 – 8 000 ore pe

an




Energie din biogaz şi căile sale de utilizare (2)

Căile de utilizare a biogazului

1) combustia directă pentru

producerea de căldură;

2) generarea combinată de

căldură şi electricitate

(CHP);

3) purificarea şi injectarea în

reţeaua naţională de gaze

naturale şi/sau utilizarea

pentru: combustibil auto,

generarea de căldură şi

electricitate, generarea de

căldură.


Energie din biogaz şi căile sale de utilizare (3) Combustia directă şi utilizarea căldurii

Biogazul poate fi ars direct în boilere sau arzătoare

Cale de utilizare foarte răspândită de la digestoare familiale, ex. in China

Biogazul nu necesită nicio îmbunătăţire

Biogazul poate fi ars loco sau transportat prin conducte la consumatorul final

Generarea combinată de căldură şi electricitate (CHP)

Reprezintă utilizarea standard a biogazului în multe ţări (care au tarife feed-in)

Uscarea biogazului înainte de conversia CHP

Instalaţiile energetice CHP bazate pe motoare pot avea o eficienţă de 90%

Motoarele sunt în mod obişnuit motoare cu injecţie de gaz: Otto-gaz, Diesel-gaz

sau Pilot-gaz

Alternative: turbine Micro-gaz, motoare Stirling şi pile de combustie

Utilizarea căldurii reziduale produse este importantă pentru eficienţa energetică şi

economică!



Energie din biogaz şi căile sale de utilizare (4) Generarea combinată de căldură şi electricitate (CHP)


Electricitate

o Electricitatea produsă poate fi utilizată ca energie de proces şi comercializată la reţeaua electrică

o 7-10 % din electricitatea produsă este utilizată ca energie de proces

o Datorită unor tarife feed-in mari toată electricitatea produsă este vândută, iar energia de process cumpărată

Căldură

o În mod obişnuit, 1/3 din căldură este utilizată pentru încălzirea digestoarelor (căldură de proces)

o 2/3 poate fi utilizată pentru necesităţi externe

o Transportul căldurii prin sisteme centralizate de transport al căldurii

o Alternativă: micro-reţele de gaz, cu co-generare CHP la locul de utilizare a căldurii o Cuplarea electricitate-încălzire-răcire


Energie din biogaz şi căile sale de utilizare (5) Biogazul îmbunătăţit la biometan

Recuperarea energiei conţinute în biogaz este în general minimă atâta timp cât căldura

reziduală rezultată din producerea de electricitate nu este de obicei folosită. Asta

înseamnă ca până la două treimi din totalul de energie conţinut de biogas se pierde.

Altfel spus, generarea de electricitate din biogas este adesea, în termeni energetici, un

process foarte inefficient.

Pentru îmbunătăţirea biogazului brut rezultat prin digestie anaerobă sunt necesare 3

operaţii principale:

o Desulfurarea

o Uscarea

o Îndepărtarea CO2

Îndepărtarea CO2 este principala sarcină pentru îmbunătăţirea biogazului cu scopul de a

atinge indicele Wobbe cerut pentru gaz.

Biometanul poate fi injectat în reţeaua de gaze naturale ca înlocuitor al gazului natural sau

să fie direct comprimat şi utilizat ca bio-comnustibil auto.





Proprietăţile biometanului

o Conţinut de metan 80 – 99 %

o Conţinut de energie 9 - 11 kWh/m³




Producerea altor biocombustibili (lichizi) se bazează doar pe culturi, iar eficienţa acestora

raportată la suprafaţă este semnificativ mai mică decât în cazul biogazului (vezi figura).

Eficienţa terenului destinat producerii de bioetanol, ca o medie între culturi de cereale

şi trestie de zahăr, ar fi de 2.400 litri equivalent petrol per hectar.

În aceleaşi condiţii producţia de biogaz

atinge 4.500 litri equivalent petrol,

care este aproape dublu. Dacă

aplicăm această eficienţă de 53% a

terenului pentru bioetanol

comparativ cu cea pentru biogaz,

amândouă obţinute din culturi,

potenţialul total estimat pentru

biogaz de 1.500 TWh

(5,4EJ=130Mtep), s-ar reduce la

circa 800 TWh (2,9EJ= 70Mtep) în

cazul etanolului.


Beneficiile biogazului

Sursă regenerabilă de energie

În prezent, producerea la nivel global a energiei este în mare măsură dependentă de

sursele de energie fosilă (petrol brut, lignit, antracit, gaze naturale). Aceste surse sunt

rezultatul fosilizării resturilor plantelor şi animalelor moarte, care au fost expuse la

presiune şi temperatură în scoarţa terestră timp de sute de milioane de ani. Din

această cauză, combustibilii fosili reprezintă surse neregenerabile de combustibili, ale

căror rezerve sunt consumate mult mai repede decât sunt formate cele noi.

După diferiţi cercetători, producţia de vârf a petrolului a fost deja atinsă, sau urmează să

fie atinsă în următoarea perioadă. Faţă de combustibilii fosili, biogazul rezultat prin AD

este regenerabil în mod permanent, pe măsură ce este produs din biomasă, care nu

reprezintă altceva decât stocarea actuală a energiei solare prin procesul de

fotosinteză. Biogazul produs prin procesul AD nu numai că va îmbunătăţi bilanţul

energetic al unei ţări, ci va aduce şi o contribuţie importantă la conservarea resurselor

naturale şi la îmbunătăţirea condiţiilor de mediu.


Reduce dependenţa de importuri de combustibili fosili

Combustibilii fosili reprezintă resurse limitate, concentrate în puţine zone geografice de pe

planeta noastră. Acest lucru creează, pentru ţările situate în afara acestor areale, o

stare permanentă şi nesigură de dependenţă de importul de resurse energetice. Cele

mai multe ţări europene sunt foarte puternic dependente de importurile de energie

fosilă din regiuni bogate în surse de combustibili fosili, precum Rusia şi Orientul

Mijlociu. Dezvoltarea şi implementarea sistemelor de energie regenerabilă, cum este

biogazul de provenienţă AD, bazate pe resurse naţionale şi regionale, vor creşte

sustenabilitatea şi siguranţa rezervelor naţionale de energie şi vor reduce dependenţa

de importul de energie.

Contribuţie la ţintele UE pentru energie şi mediu

Lupta împotriva încălzirii globale reprezintă una dintre principalele priorităţi ale politicilor

europene pentru energie şi mediu. Directivele europene referitoare la producţia de

energie regenerabilă, la reducerea emisiilor de GES şi la managementul sustenabil al

deşeurilor se bazează pe angajamentul statelor membre de a implementa măsuri

potrivite în scopul îndeplinirii acestora. Producerea şi utilizarea biogazului din AD are

potenţialul de a satisface toate cele trei directive, simultan.



Reducerea deşeurilor

Unul dintre principalele avantaje ale producerii biogazului este capacitatea de a transforma

deşeurile în resurse valoroase, prin utilizarea acestora ca materii prime pentru

procesul AD. Multe ţări europene se confruntă cu probleme uriaşe, asociate unei

supraproducţii a deşeurilor organice rezultate din industrie, agricultură, precum şi din

activităţile casnice. Producerea biogazului reprezintă o cale foarte bună de satisfacere

a reglementărilor naţionale şi europene din ce în ce mai restrictive din acest domeniu

şi de utilizare a deşeurilor organice pentru producerea de energie, urmată de

reciclarea acestora ca îngrăşăminte. Tehnologiile de producere a biogazului contribuie

la reducerea volumului de deşeuri, precum şi a costurilor determinate de înlăturarea

acestora.

Crearea de locuri de muncă

Dezvoltarea unui sector naţional în domeniul biogazului stimulează constituirea unor noi

întreprinderi cu potenţial economic semnificativ, care vor creşte veniturile din zonele

rurale şi vor crea noi locuri de muncă. Comparativ cu utilizarea combustibililor fosili

importaţi, producerea de biogaz prin tehnologia AD necesită o forţă de muncă mult mai

numeroasă pentru procesul de producţie, pentru colectarea şi transportul materiilor

prime necesare, fabricarea echipamentului tehnic, execuţia lucrărilor de construcţii şi

exploatarea instalaţiilor de biogaz.



Utilizare flexibilă şi eficientă a biogazului Biogazul este o sursă flexibilă de energie, potrivită multor aplicaţii. În ţările dezvoltate, una

dintre cele mai simple aplicaţii ale acestuia o reprezintă gătitul şi iluminatul. În multe

dintre ţările europene, biogazul este folosit pentru co-generarea energiei termice şi

electrice (CHP). De asemenea, biogazul este îmbunătăţit şi folosit pentru alimentarea

reţelei de gaze naturale, utilizat drept combustibil pentru autovehicule sau în

tehnologiile pilelor electrice.

Inputuri mici de apă

Prin comparaţie cu alţi biocombustibili, biogazul necesită cele mai scăzute aporturi de apă

tehnologică. Acest lucru este important, din punct de vedere al eficienţei energetice a

biogazului, din cauza preconizatei crize a apei, prevăzută în multe regiuni ale lumii.

Venituri adiţionale pentru fermierii implicaţi

Producerea materiilor prime, combinată cu activitatea instalaţiilor de biogaz, fac

tehnologiile biogazului atractive din punct de vedere economic şi contribuie la

creşterea veniturilor fermierilor. În plus faţă de veniturile suplimentare, aceştia obţin noi

şi importante funcţii sociale, precum cele de furnizori de energie şi de operatori pentru

tratarea deşeurilor.



Digestatul este un îngrăşământ excelent O instalaţie de biogaz nu constituie numai un furnizor de energie. Biomasa animalieră rezultată în urma

procesului AD, numită digestat, reprezintă un îngrăşământ valoros al solului, bogat în azot, fosfor,

potasiu şi micronutrienţi, care poate fi aplicat pe teren cu echipamentele obişnuite, folosite şi în

cazul gunoiului de grajd lichid. Comparativ cu gunoiul animal brut, digestatul prezintă o eficienţă

îmbunătăţită ca fertilizator, datorită omogenităţii sale ridicate şi a disponibilităţii mai mari a

nutrienţilor, un raport mai bun C/N şi lipsa aproape totală a mirosurilor neplăcute.

Flexibilitate pentru utilizarea de diferite substraturi Pentru producerea biogazului pot fi folosite numeroase tipuri de materii prime. Biogazul poate fi, de

asemenea, colectat şi direct de la rampele de gunoi. Unul dintre principalele avantaje ale producerii

biogazului constă în abilitatea de utilizare a aşa-numitei biomase umede, drept materie primă.

Exemple de biomasă umedă sunt: nămolurile de canalizare, nămolurile provenite din fermele pentru

lactate şi din cele de creştere a porcilor, nămolul de flotaţie rezultat din procesarea alimentelor,

toate caracterizate de un conţinut de umiditate de mai mult de 60-70%. În ultimii ani, a fost utilizată

şi biomasa provenită dintr-o serie întreagă de plante energetice de cultură (cereale, porumb,

seminţe de rapiţă etc.) drept materie primă pentru producerea biogazului, aşa cum s-a întâmplat, de

exemplu, în Austria. La acestea se mai adaugă diverse reziduuri agricole, produse agricole

vegetale depreciate, improprii pentru consum sau rezultate în urma condiţiilor de creştere şi

climatice nefavorabile, care pot fi utilizate pentru producţia de biogaz şi de îngrăşăminte. De

asemenea, un număr de produse secundare animaliere, improprii consumului uman, pot fi

procesate în fabricile de biogaz.



Circuit închis al nutrienţilor

Circuitul nutrienţilor, prin procesul producerii biogazului – de la producţia de materii prime

la aplicarea digestatului ca îngrăşământ – este unul închis. Compuşii cu carbon (C)

sunt reduşi, prin procesul de digestie anaerobă, metanul (CH4) fiind folosit pentru

producerea de energie, în timp ce dioxidul de carbon (CO2) este eliberat în atmosferă,

de unde este preluat de către plante, în cursul fotosintezei.


Unii compuşi ai carbonului rămân în digestat,

îmbunătăţind conţinutul în carbon al

solurilor, atunci când digestatul este utilizat

ca îngrăşământ. Producţia de biogaz poate

fi perfect integrată în activitatea fermelor

convenţionale sau a fermelor organice,

unde digestatul înlocuieşte îngrăşămintele

anorganice obişnuite, produse cu consumul

unei mari cantităţi de energie fosilă.


Echilibrarea gazelor cu efect de seră (1)

Utilizarea combustibililor fosili converteşte carbonul stocat timp de milioane de ani în

scoarţa terestră şi îl eliberează sub formă de dioxid de carbon (CO2) în atmosferă.

Creşterea concentraţiei CO2 atmosferic în prezent are drept consecinţă încălzirea

globală, deoarece dioxidul de carbon este un gaz cu efect de seră (GHG). Arderea

biogazului, de asemenea, eliberează CO2. Totuşi, principala diferenţă, prin comparaţie

cu combustibilii fosili, este aceea a originii carbonului din biogaz, care este recent

preluat din atmosferă, prin activitatea fotosintetică a plantelor actuale. Prin urmare,

ciclul carbonului din biogaz este închis într-o perioadă foarte scurtă de timp (între unul

şi câţiva ani).

Producţia de biogaz prin procesul AD reduce, de asemenea, şi emisiile de metan (CH4) şi

de oxid azotos (N2O), rezultate în urma depozitării şi utilizării gunoiului animal ca

îngrăşământ. Potenţialul efectului de seră al metanului este de 21 de ori mai mare, iar

cel al oxidului azotos de 296 de ori mai ridicat, în comparaţie cu acela al dioxidului de

carbon. Prin urmare, utilizarea biogazului în locul combustibililor fosili pentru

producerea şi transportul energiei reduce emisiile de CO2, CH4 şi N2O, contribuind, în

acest fel, la reducerea încălzirii globale.




Cu toate acestea, impactul asupra mediului al producerii şi utilizării biogazului necesită o

analiză atentă pentru a fi utilizate într-un mod durabil. De exemplu, deşi, în general,

utilizarea biogazului contribuie la un management al deşeurilor mai durabil, în unele

cazuri producţia şi folosirea materiei prime (de exemplu, producţia de culturi

energetice, extinderea monoculturilor) pot fi mai puţin „prietenoase” cu mediul, cu

excepţia cazului în care sunt luate anumite măsuri. Cu scopul de a promova beneficiile

producerii biogazului la nivel local, naţional, european, internaţional, trebuie să fie luate

în considerare legislaţia de mediu şi cea agricolă: de exemplu, Directiva Habitate,

Directiva privind păsările, Natura 2000, de eco-condiţionalitate, Convenţia

internaţională privind biodiversitatea biologică şi Convenţia cadru a Naţiunilor Unite

privind schimbările climatice.

Din cele 30 milioane de tone de emisii de metan pe an la nivel mondial, generate de

diferite sisteme de management al deşeurilor animale, cum ar fi stocarea materiilor

solide, iazuri anaerobe pentru dejecţii, depozite lichide / nămoluri, şi direct la nivelul

păşunilor, jumătate din emisii ar putea fi reduse prin AD controlată şi producere de

biogaz. Asia şi Orientul Îndepărtat emit 6.2 milioane de tone de metan pe an. În timp

ce în Europa de Est emisiile sunt cauzate de sistemele management necorespunzător

al deşeurilor animale, în Extremul Orient acestea sunt cauzate de numărul mare de

animale.




Alte emisii în atmosferă, care sunt legate de producţia de biogaz sunt:

o Hidrogenul sulfurat (H2S) este, probabil, substanţa din biogaz cu pericolul potenţial cel

mai mare. Mai multe metode pot fi utilizate cu scopul de a reduce H2S din biogaz (de

exemplu, aportul de aer sau purificarea biogazului);

o Azotul (N2) şi oxigenul (O2) pot fi prezente în cantităţi mici, dar aceste gaze nu sunt

percepute ca pericol pentru mediu;

o Monoxidul de carbon (CO) poate fi de asemenea prezent în cantităţi minime, dar emisiile

de CO sunt produse numai atunci când tot carbonul conţinut în deşeuri nu este oxidat la

dioxid de carbon;

o Amoniacul (NH3) poate fi de asemenea prezent în cantităţi minime, dar cantitatea de

amoniac este neglijabilă în comparaţie cu potenţialul de reducere a azotului în mediul

rezultat din utilizarea de îngrăşământ bio îmbunătăţit, comparativ cu namolurile

netratate.

În termeni de mediu, echilibrul energetic al unei instalaţii de biogaz este o reflectare a

impactului asupra mediului. Cu cât este mai mic imputul de energie pentru producţia de

materie primă şi pentru funcţionarea instalaţiei de biogaz, cu atât este mai mic impactul

asupra mediului. Dimpotrivă, cu cât producţia de energie este mai mare, cu atât este

mai bună protecţia mediului ca urmare a înlocuirii combustibililor fosili şi a poluării lor

implicite.



Potenţialul mondial al producţiei de energie pe bază de biomasă se estimează a fi la un

nivel foarte ridicat. Evaluarea potenţialului energetic al biomasei se bazează pe

numeroase studii, scenarii şi simulări, care demonstrează faptul că numai o mică parte a

acestuia este folosită în prezent. Potrivit aceloraşi cercetări, gradul de utilizare a

biomasei ar putea fi crescut semnificativ în viitorul apropiat. Asociaţia Europeană pentru

Biomasă (AEBIOM) estimează că producţia europeană de energie, având ca bază

biomasa, poate fi crescută de la 72 Mtep în 2004 la 220 Mtep în 2020. Cel mai mare

potenţial de creştere corespunde biomasei de origine agricolă. implicite.

În momentul de faţă există aproximativ 109 milioane de hectare teren arabil în Europa.

Conform AEBIOM, în ţările UE pot fi utilizate între 20 şi 40 de milioane de hectare (Mha)

de teren pentru producţia agricolă de energie, fără a fi afectată producţia alimentară a

Uniunii. Dacă 5% din acest teren ar fi folosit pentru culturile energetice, o rpoducţie de

15 tone de materie uscată solidă pe hectar ar putea oferi 23,4 Mtep (272 TWh) de

energie în cazul în care aceasta ar fi convertită în biogaz, de 3 ori mai mult decât

producţia actuală de biogaz a UE. 166 Mtep (1930 TWh) este potenţialul teoretic de

producţie de energie primară din biogaz în 2020, potrivit unui studiu german. Comparativ

cu utilizarea actuala de 8,7 Mtep (101 TWh), aceasta este o cifră teoretică, care nu va fi

atinsă în următoarele decenii.

Politicile şi potenţialul de biogaz al UE


Institutul German pentru Energie si Mediu afirmă că potenţialul de biogaz în Europa este

suficient de mare pentru a putea înlocui consumul total de gaze naturale, prin injectarea

de biogaz îmbunătăţit (biometan) în reţeaua de gaze naturale existentă. Estimarea

potenţialului de biogaz în Europa depinde de diverşi factori şi de ipotezele care sunt

incluse în calcule, cum ar fi disponibilitatea de terenuri agricole care nu afectează

producţia de alimente, productivitatea culturilor energetice, randamentul în metanal

diverselor substraturi şi eficienţa energetică a utilizării finale a biogazului.



Potenţialul realist de metan provenit din gunoi de grajd, culturi energetice şi

deşeuri este în jurul valorii de 40 Mtep (465 TWh) în 2020, comparativ cu o

producţie de 8,7 Mtep (101 TWh) în 2010. Utilizarea de culturi secundare

pentru producerea de biogaz nu a fost luată în considerare în calcul şi ar putea

oferi un potenţial suplimentar. În 2020 biogazul ar putea oferi mai mult de o

treime din producţia de gaze naturale ale Europei sau în jurul valorii de 10%

din consumul european de 433,7 Mtep (5035 TWh) din 2007.

Cele mai multe dintre ţările Uniunii Europene au elaborat o foaie de parcurs

pentru biogaz, ca parte din Planul lor Naţional de Acţiune privind Energia din

surse Regenerabile (PNAER). Aceste planuri au fost elaborate în cadrul

Directivei privind Energia Regenerabilă (2009/20/EC). ECN (Centrul de

Cercetare a Energiei din Olanda) a compilat toate datele extrase din

documentele PNAER trimise la Comisia Europeană, în numele unui studiu

finanţat de Agenţia Europeană de Mediu. Concluziile studiului arată că

Uniunea Europeană este pregătită pentru o creştere bruscă a producţiei de

electricitate din biogaz, care ar trebui să fie de la 12,5 TWh în 2005 la 63,3

TWh.



În figura de mai jos este prezentată producţia actuală de electricitate din biogaz în 2010.

Culoarea albastră reprezintă producţia, extrasă din PNAER a fiecărui stat membru.

Culoare roşie reprezintă potenţialul realist în 2020 extras din profilurile de ţară IEE

pentru 2009. Referitor la aceste profiluri de ţară, puteţi vedea că toţi membrii UE alături

de Germania şi Marea Britanie au realizat o mică parte din potenţialul lor privind

producţia de energie din biogaz.




Bazat pe atingerea ţintelor pentru biogaz din PNAESR, în 2020, vom avea aproape 5%,

producţie de electricitate şi 5% de căldură produse în sectorul energiei regenerabile în

Europa. Raportat la consumul final de energie în Europa, cotele ar putea reprezenta

1,8% în sectorul energiei electrice şi aproape 1% în sectorul termic. Biogazul reflectă o

pondere mică în comparaţie cu alte tehnologii regenerabile, dar totodată, această mică

parte este o urgenţă pentru furnizarea de energie durabilă. Fiecare tip de energie

regenerabilă prezintă eligibilitatea sa, iar biogazul prezintă o pondere crucială în acest

lanţ de valori locale.

Măsurile ce vor trebui să fie definite, care vor fi luate pentru a atinge ţintele UE:


Mulţumesc pentru atenţie!

Bazat pe D3.4. – autori: Henning Hahn (IWES); Enrico Rose (EBA);

cu contributia: Biljana Kulisic (EIHP), Dominik Rutz (WIP)


Documents

Noţiuni de bază despre biogaz