De la gunoiul de grajd la energia electrică

Figura 1 ilustrează potenţialele surse de energie identificate în biomasă, inclusiv lemn, culturi agricole, dejecţii animale sau chiar gunoaie orăşeneşti. În multe cazuri, biomasa, după ce se recoltează, trebuie pretratată şi apoi transportată la biorafinării pentru procesare.

Ea poate fi convertită la biocombustibili folosiţi în transporturi, în producerea de energie electrică sau pot fi obţinute diverse produse.

În lume există câteva ţări care au înţeles valoarea importantă a acestor resurse de biomasă, iar în SUA s-a stabilit o ţintă pentru anul 2025: 25% din energia consumată să provină din silvicultură, cultura plantelor şi zootehnie. Programul se numeşte 25x25 (http://www.25x25.org/index.php).

Obţinerea energiei din biomasă

În principiu, procedeele de obţinere a energiei din biomasă se bazează pe capacitatea unor microorganisme de a fermenta biomasa (respectiv compuşii organici de genul zaharurilor care se găsesc în materia organică) şi de a produce alţi compuşi, care pot avea o putere calorică mai mare (de exemplu alcool etilic, metan).

În ultimii ani, grija pentru mediu a dus la dezvoltarea unor tehnologii care să reducă poluarea. Printre acestea se numără şi fermentarea anaerobă a dejecţiilor din fermele de animale, pentru a stopa emisia de metan în atmosferă. Acesta este captat în instalaţii de producere a biogazului şi transformat prin ardere în CO2, cu un efect de seră mult mai scăzut (de 21 ori) decât al metanului.

Pentru a stopa emisia de metan în atmosferă, materia organică (dejecţiile sau alte produse care conţin substanţe organice) este închisă într-un bazin etanş (numit fermentator, sau digester), pentru a se realiza fermentaţia anaerobă.

Pentru a se promova activitatea bacteriană, în fermentator trebuie să se menţină o temperatură de cel puţin 20ºC. Temperaturi mai ridicate, de până la 65ºC, reduc atât durata procesului (timpul necesar bacteriilor pentru a produce biogaz), cât şi volumul necesar al dejecţiilor, cu până la 40%. Cu toate că numărul speciilor bacteriene care acţionează la temperaturi medii (bacterii mezofile) este mai mare decât al celor care iubesc temperaturi mai înalte (termofile), acestea din urmă sunt mai active şi produc mai mult metan.

Însă dirijarea unui proces la temperatură ridicată este mai complicat deoarece fluctuaţiile de temperatură reduc activitatea bacteriilor termofile.

Gazul produs în urma fermentaţiei anaerobe conţine metan, bioxid de carbon (de obicei cca. 90% din total), cantităţi mici de hidrogen sulfurat, azot, hidrogen, metilmercaptani şi oxigen. Dintre acestea, doar metanul este un gaz combustibil, iar energia biogazului obţinut depinde de procentul de metan pe care acesta îl conţine (poate varia între 55 şi 80%). Un biogaz care conţine 65% metan, produce cca. 2000 Btu/m3.

În ferme se pot construi instalaţii simple, constând din lagune acoperite, care pot produce biogaz folosit la încălzire sau pentru a produce curent electric. Spre exemplu, un fermentator cu deplasare (cu curgere de tip piston, sau plug-flow) poate procesa în jur de 30.000 litri dejecţii/zi, cantitatea produsă de cca. 500 vaci. Dacă biogazul este folosit pentru alimentarea unui generator, acesta poate produce mai mult curent electric şi apă caldă decât consumă ferma.

În ţările din vestul Europei, pentru a se spori capacitatea de producere a metanului, în fermentatoare se amestecă dejecţiile animalelor cu alte produse care conţin glucide fermentescibile (porumb siloz sau alte produse, subproduse sau deşeuri, în funcţie de disponibilităţi).

Tipuri de fermentatoare anaerobe

Cele trei tipuri de fermentatoare anaerobe folosite în producerea de biogaz au capacitatea de a capta metanul şi de a reduce numărul bacteriilor coliforme fecale, însă diferă în ceea ce priveşte costul, climatul la care se pretează şi concentraţia dejecţiilor care se pot procesa.

• Laguna acoperită constă dintr-un bazin (lagună) acoperit, care captează gazul produs în timpul descompunerii dejecţiilor. Acest tip de fermentator este cel mai puţin costisitor şi se pretează pentru dejecţii lichide (sub 3% solide). Laguna este acoperită cu o folie din material impermeabil, prinsă în mod etanş de marginile lagunei după o bordură de beton.

Biogazul se acumulează sub folie, de unde este preluat printr-o conductă. Cu toate că necesită investiţii reduse, lagunele acoperite necesită volume mari de dejecţii, climat cald şi zone cu pânză de apă freatică la adâncimi mari.

• Fermentatoarele cu agitare convertesc materia organică la biogaz într-un rezervor încălzit deasupra sau sub nivelul solului. În acest rezervor se face o agitare mecanică sau prin barbotare (recirculare) de gaz, pentru a menţine solidele în suspensie. Astfel de fermentatoare costă mai mult şi întreţinerea este mai costisitoare. Se pretează pentru volume mari de dejecţii, cu conţinut în solide între 3 şi 10%.

Fermentatorul poate fi o structură cilindrică de oţel sau din beton turnat. Menţinerea unei temperaturi optime în fermentator poate reduce timpul de retenţie a dejecţiilor la mai puţin de 20 zile.

• Fermentatoarele cu deplasare (cu curgere de tip piston sau plug-flow) se pretează pentru dejecţiile rumegătoarelor care conţin între 11 şi 13% solide. O instalaţie tipică plug-flow include un sistem de colectare a dejecţiilor, un bazin pentru omogenizare şi fermentatorul ca atare. În bazinul de omogenizare se ajustează proporţia de solide în dejecţii, prin adaos de apă.

Fermentatorul este un bazin rectangular, lung, de obicei sub nivelul solului, acoperit ermetic cu un material impermeabil. Materialul pompat în fermentator împinge materialul existent spre capătul opus (curgere tip piston). Pe măsură ce solidele din dejecţii sunt descompuse, formează un material vâscos, limitând separarea solidelor în rezervor şi constituind „pistonul” care împinge lichidul. Timpul mediu de retenţie a dejecţiilor în fermentator este de 20-30 zile.

Un astfel de model de fermentator necesită un minim de lucrări de întreţinere. Căldura degajată de motorul-generator care transformă gazul în electricitate, poate fi folosită pentru a încălzi fermentatorul.

În interiorul acestuia un sistem de conducte permite circularea apei calde pentru a menţine temperatura între 25-40ºC, temperatura optimă pentru bacteriile metanogene.

Articol publicat în revista Ferma nr. 2(46)/2007