Utilizarea durabilă a energiei termice din instalaţiile de biogaz

Transcription

1 Utilizarea durabilă a energiei termice din instalaţiile de biogaz Manual

2

3 Autor: Coautori: Referenţi: Editor: Dominik Rutz Rita Mergner, Rainer Janssen IlzeDzene, Claudio Rochas, Stefan Amann, ChristofAmann, Jadranka Maras Abramovic, ChristopherGallasch, Laura BailónAllegue, Jørgen Hinge, Frederico De Filippi Dominik Rutz Traducere română: Dan Ionescu Ediție revizuită: Augustin Ofițeru, Mihai Adamescu ISBN: Traduceri: Limba originală a manualului este engleza. Acest manual este, de asemenea, disponibil în următoarele limbi: croată, cehă, daneză, germană, italiană, letonă, poloneză şi română Publicat: 2012 by WIP Renewable Energies, Munchen, Germania Contact: WIP Renewable Energies, Sylvensteinstr. 2, Munich, Germany Dominik.Rutz@wip-munich.de, Tel.: Pagina web: Drepturi de autor: Declinarea responsabilităţii: Toate drepturile rezervate. Nicio parte din această carte nu poate fi reprodusă sub nici o formă sau prin niciun mijloc, cu scopul de a fi utilizată în scopuri comerciale, fără permisiunea în scris a editorului. Autorii nu garantează corectitudinea şi/sau completitudinea informaţiilor şi datelor incluse sau descrise în acest manual. Întreaga responsabilitate pentru conţinutul acestui manual revine autorilor. Ea nu reprezintă neapărat opinia Comunităţii Europene. Nici EACI şi nici Comisia Europeană nu sunt responsabile pentru orice posibilă utilizare a informaţiilor conţinute de acest manual. 1

4 2

5 Mulţumiri Acest manual a fost elaborat în cadrul proiectului BiogasHeat (IEE/11/025), sprijinit de Comisia Europeană prin intermediul Energie Inteligentă pentru Europa (IEE), program gestionat de Agenţia Executivă pentru Competitivitate şi Inovare (EACI). Autorii doresc să mulţumească Comisiei Europene pentru sprijinirea proiectului BiogasHeat, precum şi referenţilor şi partenerilor BiogasHeat pentru contribuţia lor la acest manual. Pentru furnizarea de imagini şi grafice, autorii le mulţumesc următoarelor companii: AgroEnergien (Burkhard Meiners), GE Energy (Roland Jenewein), LaTherm GmbH (Michael Schönberg), SCHNELL Motoren AG (Susanne Kerezsy), STELA Laxhuber GmbH (Nadine Sahlmann), Thermaflex Isolierprodukte GmbH (Jana Tanneberg-Kranz), TransHeat GmbH (Ronald Strasser), Tranter Solarice GmbH (Wolfgang Stürzebecher) şi Verdesis Services UK LTD (Nick Sheldon). 3

6 Proiectul BiogasHeat Proiectul BiogasHeat abordează problema modului de a utiliza eficient căldura de la instalaţiile de biogaz, la nivel european, naţional şi de proiect. Astfel, este dezvoltat şi utilizat un set măsuri pentru diferite politici, cele mai bune practici, testări în teren şi implementare de proiecte. Obiectivele specifice ale proiectului BiogasHeat sunt: (1) să sprijine utilizarea economică şi durabilă a energiei termice de la instalaţiile existente şi viitoare de biogaz, care în prezent este irosită, (2) să crească capacitatea în mai multe ţări ţintă (Austria, Croaţia, Republica Cehă, Danemarca, Germania, Italia, Letonia, Polonia, şi România), prin măsuri specifice, care includ analiza de opţiuni tehnice, studii de fezabilitate, dezvoltarea strategiei antreprenoriale a unor cazuri de afaceri şi studii de teren pentru a aborda barierele cheie; şi (3) să stimuleze capacităţile individuale, prin traininguri, dezvoltare de abilităţi şi transfer de cunoştinţe. BiogasHeat a început în aprilie 2012 şi durează 3 ani. Proiectul este sprijinit de Programul Energie Inteligentă pentru Europa al Uniunii Europene (contract nr IEE/11/025). Consorţiul proiectului şi puncte naţionale de contact: Ekodoma, Letonia (Coordonatorul proiectului) IlzeDzene [ilze@ekodoma.lv ] WIP Renewable Energies, Germania Dominik Rutz [Dominik.Rutz@wip-munich.de] Rita Mergner [Rita.Mergner@wip-munich.de] Energy Institute HrvojePožar, Croaţia BiljanaKulišić [bkulisic@eihp.hr] Jadranka Maras Abramović [jmaras@eihp.hr] Energy Efficiency CenterSEVEn, Republica Cehă TomášVoříšek [tomas.vorisek@svn.cz] SogescaSrl, Italia Federico De Filippi [f.defilippi@sogesca.it] Marco Devetta [m.devetta@sogesca.it] Polish Biogas Association, Polonia MichałSurowiec [michal.surowiec@pba.org.pl] e7 Energie Markt Analyse GmbH, Austria ChristofAmann [christof.amann@e-sieben.at] Stefan Amann [stefan.amann@e-sieben.at] Danish Technological Institute, Danemarca Laura BailónAllegue [lbae@teknologisk.dk] Jørgen Hinge [jhi@teknologisk.dk] SC Mangus Sol Srl, România MihaiAdamescu [office@mangus.ro] Augustin Ofițeru [office@mangus.ro] Euroheat&Power, Belgia Christopher Gallasch [Christopher.Gallasch@euroheat.org] 4

7 Cuprins Mulţumiri... 3 Proiectul BiogasHeat... 4 Prefaţă Introducere Producerea biogazului Concepte ale instalaţiilor de biogaz Concepte pentru utilizarea biogazului drept purtător de energie Provocări în ceea ce priveşte utilizarea energiei termice Noţiuni de bază despre producerea şi utilizarea de căldură Arderea biogazului Unităţi de măsură şi factori de conversie a căldurii Calitatea căldurii Cantitatea şi cererea de energie termică Necesarul de căldură pentru digestoare Caracteristici ale motoarelor cu combustie pe biogaz Motoare Otto pe gaz Motoare Pilot cu injecţie pe gaz Concepte ale instalaţiilor de biogaz pentru producerea combinată de electricitate şi căldură Opţiuni ale instalaţiilor de biogaz pentru utilizarea căldurii Încălzirea Termoficarea Proiectarea unui sistem de termoficare Hale pentru creşterea animalelor Sere Acvacultura Transportul căldurii în containere Încălzirea pentru alte scopuri Uscarea Digestatul şi nămolul de epurare Butuci de foc, surcele şi pelete Construcții și industria mobilei Produse agricole Răcirea Generalităţi despre instalaţiile frigorifice Răcirea centralizată

8 3.3.3 Aplicaţii ale răcirii Producţia suplimentară de electricitate Sisteme CRC Sisteme ORC Ciclul Kalina Motorul Stirling Turbină cu gaze de ardere Concepte inovatoare pentru conversia eficientă a biogazului Conducte de biogaz şi unităţi CHP satelit Condiţionarea biogazului şi injectarea biometanului în reţea Transportul biometanului în containere Utilizarea biometanului în transporturi Biogazul pentru managementul de sarcină şi pentru stabilitatea reţelei Biometanul şi Energie Electrică - în - Gaz Linii directoare cu privire la opţiunile de utilizare a energiei termice Concluzii Glosar şi Abrevieri Unităţi generale de conversie Bibliografie

9 Prefaţă În Europa, cât şi la nivel mondial, producţia şi utilizarea biogazului au crescut considerabil, ca urmare a cererii tot mai mari de energie din surse regenerabile, ca substitut pentru purtătorii de energie fosili. Cele mai multe instalaţii agricole şi industriale de biogaz din Europa folosesc biogazul pentru producerea de energie electrică în instalaţii de cogenerare (CHP - producere combinată de energie termică şi electrică). Totuşi, în multe cazuri, căldura de la unitatea de cogenerare nu este folosită, ci se pierde. Acesta este un rezultat al accentului pus, al celor mai multe scheme de sprijin, în principal pe producţia de energie electrică, neglijând utilizarea eficientă a căldurii. Ineficienţa în utilizarea energiei este o barieră pentru producţia actuală de biogaz, cauzând pierderi macroeconomice şi microeconomice şi provoacă, în contextul creşterii, o concurenţă a utilizării terenurilor. Proiectul BiogasHeat abordează problematica modului de utilizare eficientă a energiei termice provenite de la instalaţii de biogaz, la nivel european, naţional şi de proiect (Dzene et al. 2012). Astfel, este dezvoltat şi utilizat un set măsuri pentru diferite politici, cele mai bune practici, testări în teren şi implementare de proiecte. Proiectul BiogasHeat (IEE/11/025) este sprijinit de Comisia Europeană prin intermediul programului Energie Inteligentă pentru Europa (IEE), program gestionat de Agenţia Executivă pentru Competitivitate şi Inovare (EACI). Ca rezultat important al proiectului BiogasHeat, acest manual privind "Utilizarea durabilă a energiei termice a instalaţiilor de biogaz" a fost elaborat cu scopul de a oferi o imagine de ansamblu a diferitelor opţiuni pentru utilizarea căldurii de la unitîţile de cogenerare pe biogaz. Manualul se adresează operatorilor instalaţiilor actuale şi viitoare de biogaz, precum şi altor părţi interesate, cum ar fi factorii de decizie politică, investitorii şi studenţii care lucrează în domeniul biogazului. Acesta oferă informaţii generale cu privire la caracteristicile căldurii produse în instalaţiile de biogaz şi se concentrează asupra soluţiilor tehnice generale pentru utilizarea eficientă a căldurii. Complementar manualului, raportul privind "Exemple de Bune Practici pentru Utilizarea Eficientă a Căldurii de la Instalaţiile de Biogaz" (Ramanauskaite et al. 2012) prezintă concepte şi exemple selectate de instalaţii existente de biogaz care utilizează deja căldura reziduală. În plus, sunt, de asemenea, disponibile informaţii despre partea economică şi costuri în alte rapoarte elaborate în cadrul proiectului BiogasHeat şi, de aceea, ele nu au fost incluse în acest manual. Toate rapoartele sunt disponibile pe site-ul BiogasHeat ( Pentru elaborarea acestui manual au fost utilizate surse şi referinţe variate. Astfel, au fost utilizate date în principal din literatura germană, deoarece Germania are în prezent cel mai avansat sector al biogazului din Europa. Autorii au încercat să generalizeze datele şi cifrele, astfel încât ele să poată fi utilizate în întreaga Europă. Totuşi, unele dintre acestea sunt încă particulare pentru anumite ţări sau regiuni. Mai mult, au fost aplicate unităţi şi abrevieri standardizate, care sunt curent utilizate la nivel european. Detalii cu privire la unităţile de conversie sunt prezentate la sfârşitul manualului. În versiunea în limba engleză a manualului, semnul zecimal este un punct de (de exemplu, euro înseamnă 12 Euro şi 3 Centi), precum separatorul de mii este virgula (de exemplu, 1,300 este o mie trei sute). Deoarece ţările-ţintă ale proiectului BiogasHeat sunt Austria, Croaţia, Republica Cehă, Danemarca, Germania, Italia, Letonia, Polonia şi România, manualul este tradus de către partenerii BiogasHeat în limbile corespunzătoare. Addendum la a doua ediție Obiectivul apariției unei a doua ediții a cărții este de a include experiențele și concluziile rezultate din studiile de fezabilitate implementate ăn cadrul proiectului. În același timp, piața biogazului evoluează rapid și a fost nevoie de actualizări ale unor date. 1 Introducere 7

10 Numărul de instalaţii de biogaz a crescut considerabil in ultimii ani la nivel mondial. Multe ţări au dezvoltat tehnologii moderne de producere a biogazului şi pieţe naţionale competitive de biogaz de-a lungul deceniilor de cercetare intensivă şi de dezvoltare tehnică (Al Seadi et al. 2008). Acest lucru a fost realizat cu ajutorul unui sprijin guvernamental şi public substanţial. Astăzi, energia din biogaz contribuie la obiectivul de securitate energetică naţională şi la scăderea emisiilor de gaze cu efect de seră în multe ţări. Sectorul european al biogazului numără mii de instalaţii de biogaz. Ţări precum Germania, Austria, Danemarca, Suedia, Republica Cehă, Italia şi Olanda sunt printre înaintaşii din punct de vedere tehnic, cu cel mai mare număr de instalaţii moderne de biogaz. Accentul pus pentru cele mai multe instalaţii este de a maximiza producţia de energie electrică din biogaz în unităţi de cogenerare. Însă, în multe cazuri, căldura de la unităţile de cogenerare este doar parţial folosită, sau se pierde. Această ineficienţă în utilizarea energiei este o piedică în producţia curentă de biogaz, cauzând pierderi macroeconomice şi microeconomice şi provoacă în contextul global al creşterii concurenţei în utilizarea terenurilor Producerea biogazului Biogazul este produs prin digestia anaerobă (AD). AD este un proces biochimic, în care diferite tipuri de microorganisme anaerobe (bacterii) descompun materia organică complexă (biomasa) în compuşi mai mici, în absenţa oxigenului. Procesul AD este întâlnit în multe medii naturale, cum ar fi în sedimentele marine, în stomacul rumegătoarelor sau în turbării. De asemenea, în instalaţiile de biogaz materia organică de intrare, care se numeşte materie primă, este digerată anaerob, cu scopul de a se descompune în două produse principale biogaz şi digestat. În cele mai multe instalaţii de biogaz, sunt simultan utilizate amestecuri de materii prime cu scopul de a stabiliza procesul pentru a optimiza producţia de biogaz. Aceasta se numeşte co-digestie. Materia primă adecvată pentru AD include o gama larga de materii din biomasă, de preferinţă alcătuite din substanţe uşor de descompus. Acestea includ grăsimi, uleiuri, zaharuri şi amidon. De asemenea, celuloza este uşor de descompus, pe când lignina, un compus major al lemnului, este dificil de descompus prin AD. Materia primă tipică pentru instalaţiile de biogaz poate fi de origine vegetală şi animală. Excremente animale (gunoi de grajd, dejecţii lichide, bălegar) Reziduuri şi produse secundare agricole Deşeuri organice de la industriile agro-alimentare Deşeuri organice de la industriile de biomateriale (de exemplu a celulozei şi hârtiei, farmaceutică) Fracţia organică a deşeurilor solide urbane Deşeuri alimentare de la serviciile de catering Nămoluri de canalizare de la staţiile de epurarea apelor Culturi energetice destinate pentru biogaz (de exemplu porumb, sfeclă de zahăr, iarbă) Tipul de materie primă influenţează procesul AD şi compoziţia finală a biogazului produs. Biogazul constă în principal din metan (CH 4, 40-80%) şi dioxid de carbon (CO 2, 15-45%), cantităţi mai mici de hidrogen sulfurat (H 2 S), amoniac (NH 3 ), azot gaz (N 2 ), precum şi alţi compuşi. În plus, de obicei, biogazul este saturat cu vapori de apă (H 2 O). Compusul dorit este metanul, bogat în energie, deoarece acesta poate fi convertit într-o unitate de cogenerare, în energie electrică şi termică. Productivitatea în metan este una dintre cele mai importante caracteristici ale materiilor prime utilizate în procesul de AD. Productivităţile pe categorii ale materiei prime sunt prezentate în Tabelul 1. Tipul şi productivităţile în metan ale materiilor prime influenţează semnificativ profitabilitatea unei instalaţii de biogaz. Pe langa tipul de materie primă şi alţi factori, cum ar fi tipul constructiv al sistemelor de digestie, temperatura în digestor, timpul de retenţie şi încărcătura organică influenţează compoziţia biogazului.

11 Tabelul 1 Producția de metan din diverse surse (date BMU 2012) Materie primă Productiv itate în CH 4 [m³/t materie primă proaspătă] Materie primă Productiv itate în CH 4 [m³/t materie primă proaspătă] Grăsimi şi ulei de prăjire 562 Coji de cartofi 66 Glicerină 421 Turte de la producerea zahărului 64 Cazeină 392 Tăiţei de sfeclă de zahăr 64 Lactoză 378 Leguminoase (întreaga masă) 63 Lapte degresat uscat 363 Seminţe depreciate de cereale (ca atare / presate) 61 Deşeuri de la brutării 344 Pulpă de cartofi de la producţia de amidon 61 Seminţe de porumb 324 Plante medicinale şi condimentale (refuzate) 58 Seminţe de cereale 320 Resturi alimentare 57 Turte de rapiţă 317 Flori tăiate (refuzate) 55 Zer, alte deşeuri lichide si uscate cu conţinut scăzut de 298 Sfeclă furajeră 52 zahăr Făină de rapiţă 274 Bucăţi mici de sfeclă (de la producerea zahărului) 50 Deşeuri cerealiere 272 Frunze de sfeclă de zahăr cu bucăţi de sfeclă 46 Tărâţe 270 Zer închegat 44 Pâine învechită 254 Grăsimi de flotaţie 43 Deşeuri verzi de la Deşeuri de la prelucrarea 254 întreţinerea grădinilor şi cerealelor parcurilor private/publice 43 Amestec de coceni şi Iarbă de la întreţinerea 242 seminţe (CCM) drumurilor 43 Pulberi cerealiere 172 Zer acid 42 Melasă de la prelucrarea sfeclei de zahăr 166 Zarzavaturi (refuzate) 40 Ştiuleţi, coji, seminţe de porumb 148 Frunze de sfeclă furajeră 38 Porumb (Întreaga masă) 106 Lapte degresat proaspăt 33 Cereale (întreaga masă) 103 Conţinutul stomacului rumegătoarelor 33 Iarbă inclusiv iarba pentru păşunat 100 Zară proaspătă 32 Cartofi 92 Vreji de cartofi 30 Cartofi (refuzaţi) 92 Maţe (de porc) 27 Caş 92 Deşeuri de la prelucrarea legumelor 26 Melasă de lactoză 91 Vinasă de cereale cu excepţia celei de la producerea 22 alcoolului Sânge animal 83 Zer acid proaspăt 20 Nămol de flotaţie 81 Vinasă de cereale de la producerea alcoolului 18 Sorg (întreaga masă) 80 Vinasă de cartofi cu excepţia celei de la producerea alcoolului 18 9

12 Materie primă Productiv itate în CH 4 [m³/t materie primă proaspătă] Materie primă Productiv itate în CH 4 [m³/t materie primă proaspătă] Iarbă de Sudan 80 Zer dulce proaspăt 18 Raigras 79 Zer 18 Sfeclă de zahăr 75 Vinasă de cartofi de la producerea alcoolului 17 Secară furajeră (întreaga Conţinut de la separatorul 72 masă) de grăsimi 15 Lapte 70 Apă de la producerea amidonului de cartofi 11 Melasă de lactoză cu Ape uzate de la cartofi de 69 conţinut proteic scăzut la producerea amidonului 11 Apă de la prelucrarea Floarea soarelui (întreaga 67 cartofilor pentru producerea masă) amidonului 3 Cartofi (pastă, cu conţinut mediu de amidon) Compoziţia biogazului este o caracteristică importantă, care influenţează arderea biogazului în unitatea de cogenerare şi, prin urmare, compoziţia şi temperatura gazelor arse evacuate. Acest lucru influenţează cantitatea şi calitatea căldurii care poate fi folosită într-un concept al energiei termice. În plus, conceptul instalaţiei de biogaz este caracterizat de valoarea temperaturii în digestoare, care sunt, de obicei, încălzite cu o parte din căldura de la unitatea de cogenerare cu scopul de a permite bacteriilor o descompunere rapidă a materiei. Digestoarele instalaţiilor de biogaz sunt de obicei clasificate în următoarele categorii de temperatură: 10 Psihrofil: sub 25 C Mezofil: 25 C 45 C Termofil: 45 C 70 C Astfel, unele instalaţii de biogaz cu mai multe digestoare în serie folosesc adesea diferite valori ale temperaturii în digestoare. Temperatura digestorului are o influenţă directă asupra conceptului energiei termice, deoarece, cu cât este mai mare temperatura în digestor, cu atât este disponibilă mai puţină căldură pentru alte utilizări. Pe de altă parte, productivitatea în biogaz este cu atât mai ridicată cu cât sunt aplicate temperaturi mai mari, până la o anumită limită. Trebuie să fie stabilită temperatura optimă. Selecţia valorii temperaturii este influenţată de materia primă utilizată, de tipul constructiv al instalaţiei, timpul de retenţie dorit, viteza de descompunere şi de conceptul energiei termice. Factorul cel mai important pentru operatorul instalaţiei de biogaz în alegerea valorii temperaturii este, de obicei, stabilitatea procesului de AD. 1.2 Concepte ale instalaţiilor de biogaz Producţia de energie şi, prin urmare şi producţia de energie termică ale unei instalaţii de biogaz, sunt influenţate de conceptul de ansamblu al instalaţiei de biogaz. Conceptul instalaţiei are un efect asupra diferitelor opţiuni de utilizare a căldurii reziduale de la unităţile de cogenerare. Conceptele instalaţiilor de biogaz pot fi caracterizate prin următoarele aspecte: Principalul obiectiv: Producţia de energie (energie electrică, termică), tratarea deşeurilor, injecţia de biometan în reţeaua de gaze naturale, înmagazinarea energiei, controlul încărcării cu nutrienţi, producţia şi îmbunătăţirea de nutrienţi

13 Capacitatea instalaţiei: Capacităţile electrice instalate medii ale instalaţiilor din Europa sunt de aproximativ KW el, iar ca gamă de capacităţi, de la 1-2 kw pentru cele ce utilizează deşeuri menajere (aşa cum s-a practicat în mai multe ţări în curs de dezvoltare), la instalaţii de biogaz multi-megawaţi Technologia: Digestie uscată / umedă, digestie în şarje / continuă Tipul de activitate economică: Instalaţii de biogaz agricol, industrial, menajer, de tratare a apelor uzate, de tratare a deşeurilor Tipul de materie primă: Culturi energetice destinate pentru biogaz, reziduuri şi deşeuri agricole, deşeuri alimentare, deşeuri industriale, nămoluri de canalizare Principalul obiectiv pentru instalaţiile de biogaz din Europa este în prezent producţia de energie din surse regenerabile şi în special producţia de energie electrică. Acest lucru se datorează centrării majorităţii schemelor de sprijin public în principal pe instalaţiile de biogaz pentru producţia de energie electrică (tarife feed-in pentru electricitate), care neglijează de multe ori utilizarea eficientă a căldurii. Aceste instalaţii de biogaz sunt în special abordate de proiectul BiogasHeat (Dzene et al. 2012). Însă, cu scopul de a spori eficienţa şi durabilitatea acestor instalaţii de biogaz, obiectivul major ar trebui să fie maximizarea consumului de energie. Prin urmare, trebuie să fie ajustate politicile şi legislaţia pentru a maximiza eficienţa, dar în acelaşi timp, trebuie să fie asigurată fezabilitatea economică a proiectului. Eficienţa energetică a instalaţiilor de biogaz poate fi atinsă prin diferite măsuri, cum ar fi utilizarea căldurii reziduale de la unităţile CHP într-un concept consacrat energiei termice, sau prin condiţionarea biogazului la biometan (de calitatea gazelor naturale cu > 95% metan) - care poate fi injectat în reţeaua de gaze naturale. Avantajul injecţiei în reţea este faptul că biometanul poate fi arse la nivel local, acolo unde este cerere pentru încălzire. Totuşi, această tehnologie este încă foarte scumpă şi, de obicei, profitabilă doar la scară mare. Adesea lipsesc stimulentele şi legislaţia adecvată. Mai mult, instalaţiile trebuie să fie aproape de reţeaua de gaze naturale. Un alt obiectiv important pentru instalaţiile de biogaz este capacitatea acestora de a stabiliza reţelele electrice, prin stocarea de energie şi, astfel, de a contribui la un management activ de încărcare într-o reţea inteligentă de energie electrică, lucru explicat mai încolo în manual. Principalul obiectiv al instalaţiilor de biogaz ale staţiilor de tratare a deşeurilor este, de obicei, managementul durabil al deşeurilor (RUTZ et al 2011;. RUTZ et al 2012). Adesea principala sursă de venit a acestor modele de afaceri este taxa de descărcare pentru tratarea deşeurilor şi numai într-o măsură mai mică, vânzarea de energie (energie electrică şi/sau termică). Cu câteva decenii în urmă, un obiectiv major în timpul fazei iniţiale de dezvoltare a biogazului în Germania, era reciclarea şi îmbunătăţirea de nutrienţi agricoli în sistemele de ferme organice. Capacitatea medie a unei instalaţii de biogaz tipice în Germania şi în majoritatea celorlalte ţări europene este de aproximativ 450 kw el. Cu toate acestea, capacitatea instalaţiilor variază de la 1-2 kw (digestoare de 3-4 m³) a instalaţiilor de biogaz pentru utilizarea de deşeuri menajere, aşa cum acestea se practică frecvent în multe ţări în curs de dezvoltare, până la sofisticate instalaţii de biogaz multi-megawatt-i. Capacitatea instalaţiei influenţează cantitatea şi disponibilitatea producţiei de energie termică. Într-o instalaţie de biogaz, care are o unitate CHP pe baza de motor, eficienţa ajunge până la 90%. Aceasta produce aproximativ 35% electricitate şi 65% căldură. În general, căldura este necesară pentru încălzirea digestorului, în toate instalaţiile de biogaz moderne din Europa. Tehnologia influenţează cantitatea de căldură necesară, deoarece valoarile temperaturii şi gradele de izolare sunt diferite. De obicei, este necesară alimentarea continuă cu energie termică, pentru instalaţiile de biogaz cu reactoare continue, la fel ca şi pentru cele cu reactoare de tip şarjă, atât pentru digestia uscată, cât şi umedă. Alimentarea cu energie termică este în mare măsură influenţată de temperatura sezonieră a mediului ambiant. Buna izolare a digestoarelor este o condiţie prealabilă pentru un proces eficient şi stabil. De obicei exploatarea instalaţiilor de biogaz este integrată în afaceri deja existente, cum ar fi fermele, companiile industriale sau companiile de tratare a deşeurilor. Tipul de afacere 11

14 influenţează obiectivele principale ale instalaţiei de biogaz, precum şi opţiunile posibile pentru utilizarea energiei termice. Pentru instalaţiile agricole de biogaz, energia termică este frecvent utilizată pentru încălzirea grajdurilor, uscarea peleţilor de lemn, încălzirea locuinţelor şi răcirea laptelui. Pentru instalaţiile de tratare a deşeurilor căldura poate fi utilizată în scopuri de salubrizare, igienizare şi curăţire. O utilizare tipică a căldurii pentru instalaţiile industriale este caldura de proces, dar acest lucru este limitat de calitatea căldurii deoarece adesea este nevoie de temperaturi mai ridicate. După cum a fost deja descris în capitolul 1.1, tipul de materii prime influenţează compoziţia biogazului şi, prin urmare, cantitatea şi calitatea căldurii disponibile. 1.3 Concepte pentru utilizarea biogazului drept purtător de energie Biogazul poate fi transformat în energie termică, energie mecanică şi energie electromagnetică (lumina). Acesta poate fi de asemenea folosit ca şi compus chimic. Există mai multe opţiuni diferite pentru utilizarea biogazului cuprinzând de la aplicaţii foarte mici la instalaţii sofisticate din punct de vedere tehnic. Iluminat: în lămpi de gaz Încălzire: în arzătoare, boilere şi sobe pe biogaz Uscare: ca o formă specială de utilizare a energiei termice în uscătoare tip şarjă (prin trecere), uscatoare tip bandă rulantă, uscătoare cu mecanism mobil cu zbaturi, precum şi în sistemele sorptive de stocare a energiei termice Răcire: în instalaţii frigorifice cu absorbţie Electricitate: în motoare pe gaz (Motoare Pilot cu Injecţie, Motoare Otto pe gaz), pile de combustie, micro-turbine pe gaz, motoare cu Ciclu Rankine (CRC, ORC), cu ciclu Kalina, motoare Stirling, turbine cu gaze de ardere Transporturi: în Vehicule pe Gaz Natural Comprimat, ca biometan Înmagazinare de energie: în sisteme de stocare specifice pentru biogaz (de presiune joasă sau înaltă; lichefiat), sau ca biometan în reţeaua de gaze naturale cu scopul de a echilibra încărcarea cu energie electrică şi termică Substitut al gazului natural: condiţionat la biometan urmat de injectarea în reţeaua de gaze naturale Figura 1 Arzător pe biogaz în Austria (Sursa: Rutz) Figura 2 Una dintre cele mai simple aplicații pentru biogaz: cuptor pentru gătit pe biogaz, Mali (Sursa: Rutz) Diverse tehnologii simple, permit lesne utilizarea biogazului în sobe pe gaz pentru gătit (Figura 2) sau în lămpi de gaz pentru lumină. Acest lucru este frecvent utilizat pentru 12

15 instalaţiile de biogaz de scara unei gospodării în ţările în curs de dezvoltare. Aceste tehnologii nu sunt însă discutate în continuare în acest manual. Uneori, arzătoarele şi boilere pe gaz (Figura 1, Figura 16) sunt folosite pentru a produce doar căldură. Aceste arzatoare de gaz pot fi folosite, spre exemplu, pentru încălzirea digestoarelor instalaţiilor cu condiţionare a biogazului, care alimentează biometanul condiţionat în reţeaua de gaze naturale sau care aprovizionează cu gaze naturale staţii de alimentare pentru vehiculele. Pentru instalaţiile cu condiţionare, de asemenea, aşa-numitele arzătoare pe gaze cu valoare calorică redusă (LCV) (Figura 4) pot fi utilizate pentru arderea unui amestec dintre gazele de evacuare de la procesul de condiţionare şi biogaz, cu scopul de a produce căldură pentru încălzirea digestoarelor. Aceste arzătoare sunt capabile să ardă gaze cu conţinut de metan foarte mic de 5-30 % vol. metan. Arzătoarele şi boilerele pe gaz pot fi utilizate ca sisteme de regenerare pentru instalaţiile cu îmbunătăţire. Principala utilizare a biogazului în cele mai multe instalaţii de biogaz europene este generararea CHP. Înainte de arderea acestuia, biogazul produs este uscat şi, în multe cazuri curăţat, deoarece cele mai multe motoare cu gaz au limite maxime pentru conţinuturile de hidrogen sulfurat, hidrocarburile halogenate şi siloxani. O unitate de cogenerare (CHP) pe bază de motor are o eficienţă de până la 90% şi rezultă de la aceasta aproximativ 35% energie electrică şi 65% termică. În cele mai multe instalaţii o fracţiune mai mică din căldura generată (20-40%) este necesară pentru sistemul de încălzire a digestorului, însă cea mai mare parte (60-80%) este considerată ca fiind căldură reziduală, care adesea nu mai este utilizată pentru procese ulterioare. Această căldură ar putea fi folosită pentru producerea suplimentară de energie electrică, de ex. în motoare Stirling, turbine cu Ciclu Rankine Organic (ORC), sau cu Ciclu Clausius-Rankine (CRC), sau pentru alte scopuri, cum ar fi încălzire, uscare şi răcire. Aceste opţiuni vor fi prezentate în detaliu în acest manual. Figura 3 Pilă de Combustie cu Carbonat Topit (MCFC) pentru biogaz în Leonberg, Germania (Sursa: RUTZ) Figura 4 Arzător pentru combustibil cu valoare calorică redusă (LCV) al unei instalaţii cu îmbunătăţirea biogazului, pentru încălzirea digestorului, în Aiterhofen, Germania (Sursa: Rutz) Unităţile CHP de obicei includ motoarele cu combustie, cum ar fi motoarele Otto pe gaz şi cel Pilot cu injecţie pe gaz. Motoarele Pilot cu injecţie pe gaz, de obicei au nevoie de 2-5% motorină sau ulei, pentru aprindere, în plus faţă de biogaz, în timp ce motoarele Otto pe gaz funcţionează cu biogaz neamestecat. Mai multe detalii privind motoarele cu combustie pot fi găsite în capitolul

16 De asemenea, pilele de combustie (Figura 3) şi micro-turbinele pe gaz pot produce combinat energie termică şi electrică. Însă, acestea sunt totuşi doar aplicaţii de nişă şi, de aceea, nu reprezintă principalul obiectiv al acestui manual. Utilizarea de biometan în vehicule pentru transporturi este o altă opţiune pentru utilizarea biogazului. În acest caz, biogazul trebuie să fie purificat şi îmbunătăţil la calitatea gazelor naturale. Aşa cum am menţionat mai înainte în acest manual, îmbunătăţirea biogazului se face prin intermediul unei tehnologii relativ costisitoare şi este, aşadar, în prezent, fezabilă doar pentru instalaţiile mari. Deşi eficienţa energetică a biometanului folosit în vehicule este în general foarte scăzută (la fel de scăzută ca şi cea a combustibililor obişnuiţi utilizaţi în vehicule), această opţiune este promiţătoare, deoarece alternativele pentru combustibilii din sectorul transporturilor sunt limitate. În plus faţă de diferitele tehnologii pentru utilizarea biogazului, un aspect tot mai important şi un avantaj în comparaţie cu alte surse de energie regenerabilă este perioada de depozitare bună a biogazului şi biometanului. Fiind un substitut al gazelor naturale, aceasta poate contribui astfel la creşterea stabilităţii reţelei de energie electrică şi să fie folosit ca un instrument de management al încărcării acesteia. În ultimul rând, un alt potenţial al utilizării biogazului, care nu este însă luat în considerare în acest manual, este ca şi compus chimic în bio-rafinării. 1.4 Provocări în ceea ce priveşte utilizarea energiei termice Utilizarea energiei termice provenite de la instalaţiile de biogaz se confruntă cu provocări diferite, influenţate de caracteristicile instalaţiei. Adesea instalaţiile de biogaz sunt situate în zone îndepărtate, cu nici o cerere de energie termică. În plus, cantitatea şi calitatea căldurii produse nu sunt de multe ori suficiente pentru industriile mari. De aceea, trebuie să fie identificate nişe în care ar putea fi valorificată energia termică în modul cel mai eficient şi profitabil. Lista de mai jos prezinta provocări importante, care caracterizează de obicei, instalaţiile de biogaz. Sezonalitatea: Este necesară mai puţină caldură pentru încălzirea digestoarelor în timpul verii. În plus, anumite aplicaţii ale încălzirii, de exemplu, a clădirilor, sunt necesare doar în timpul iernii. Astfel, există adesea un surplus de căldură în timpul verii. Depărtarea: Mai ales instalaţiile agricole de biogaz sunt adesea situate în zone rurale izolate unde nu poate fi identificat niciun consumator de căldură (de exemplu, industrii mici, clădiri publice). Calitatea şi cantitatea de energie termică: Capacitate instalată a instalaţiilor agricole tipice de biogaz din Europa este de aproximativ 500 kw term, care este prea mică pentru utilizarea căldurii de către industriile mari. Unele industrii au nevoie de temperaturi mai mari decât cele care pot fi furnizate de către o instalaţie de biogaz. Riscurile economice: Operatorii instalaţiilor de biogaz care "depind" de consumatori externi de căldură se pot confrunta cu riscuri economice în caz de modificare a cererii. Contractele pe termen lung pot ajuta la diminuarea acestui risc. Costuri ridicate: Mai multe opţiuni pentru utilizarea căldurii reziduale necesită echipamente suplimentare cu costuri de investiţii ridicate, de exemplu, instalarea de module ORC sau construirea de micro-reţelele de termoficare. Acceptare şi sprijin publice: Construirea de noi micro-reţele de termoficare este posibilă numai în cazul în care cererea de energie termică este asigurată, ceea ce înseamnă că sunt dispuşi să se conecteze suficienţi clienţi. În plus, administraţiile locale trebuie să fie pentru sprijin, să permită construirea de micro-reţele de termoficare. Preţurile combustibililor fosili: Utilizarea căldurii reziduale de la instalaţiile de biogaz trebuie să fie competitivă cu preţurile combustibililor fosili şi ale altor surse de energie regenerabilă. 14

17 2 Noţiuni de bază despre producerea şi utilizarea de căldură Căldura este definită în termodinamică ca energie transferată de la un sistem la altul prin interacţiune termică. Aceasta este o funcţie de proces în contrast cu o funcţie de stare, cum ar fi temperatura sau volumul. Ea descrie tranziţia unui sistem dintr-o stare de echilibru într-o altă stare echilibru. Astfel sistemul este caracterizat de graniţe proprii ale sistemului. Căldura trece spontan întotdeauna de la un sistem cu temperatură mare, la unul cu temeperatură joasă. Termenul "căldură", este adesea denumit şi "flux de căldură" sau "transfer de căldură". Transferul de căldură poate avea loc prin conducţie, radiaţie, convecţie, transfer de masă, precum şi prin reacţii chimice. Trebuie să fie făcută diferenţierea între căldura perceptibilă şi căldura latentă. Căldura perceptibilă este direct măsurabilă prin schimbări de temperatură. Căldura latentă este căldură eliberată sau absorbită de un corp sau de un sistem termodinamic în timpul unui proces care are loc fără o modoficare a temperaturii. Un exemplu tipic este cel al transformării de stare a materiei, cum ar fi tranziţia de fază de la gheaţă (faza solidă), la apă (faza lichidă). Aplicată la căldura unei unităţi CHP dintro instalaţie de biogaz, căldura poate fi caracterizată de exemplu, de un anumit volum de apă (sau alte substanţe) cu temperatură ridicată. Această căldură poate fi utilizată în diferite moduri, în timp ce temperatura apei este scăzută la un nivel inferior. 2.1 Arderea biogazului Căldura de ardere (ΔH 0 ) (Ecuaţia 1) este energia eliberată sub formă de căldură atunci când un compus (biogaz sau biometan) suferă o ardere completă cu oxigen în condiţii normale. Ecuaţia chimică este metanul reacţionează cu oxigenul pentru a forma dioxid de carbon, apă şi căldură. Ecuaţia 1 În această reacţie de ardere, sunt eliberaţi -802,4 kj/mol, în cazul în care este ars metan pur. Acest lucru este echivalent cu aproximativ 35,89 MJ/Nm 3 (H i ), sau aproximativ 10 kwh. Deoarece atât biogazul cât şi biometanul nu constau în metan pur (40-80% pentru biogaz şi aproximativ 95% pentru biometan), conţinutul de energie este mai mic. Cantitatea de căldură eliberată în timpul procesului de ardere mai este numită şi putere de încălzire. În sistemele de ardere existente, combustibilii sunt adesea caracterizaţi prin puterile de încălzire inferioară şi superioară. Ele depind de compoziţia chimică a combustibilului. Puterea de încălzire inferioară (LHV), numită şi entalpie de ardere inferioară (Hi), putere calorifică netă (NCV), sau puterea calorifică inferioară (LCV), presupune că energia pentru vaporizarea conţinutul de apă al combustibilului nu este utilizabilă şi, prin urmare, nu este luată în considerare. LHV poate fi obţinută prin scăderea căldurii latente de vaporizare a vaporilor de apă din puterea de încălzire superioară (HHV). Calculele presupun că, componenta apă a unui proces de ardere este în stare de vapori, la sfârşitul arderii, spre deosebire de HHV, la care se presupune că toată apa dintr-un proces de ardere este în stare lichidă după procesul de ardere. LHV a biogazului depinde de conţinutul în metan şi de calitatea gazului. Aceasta variază în intervalul 21,5 23,5 MJ, sau de la 5,5 la 6,0 kwh/nm 3. Puterea de încălzire superioară (HHV), numită şi entalpie de ardere superioară (H s ), valoare energetică brută, putere de încălzire superioară, putere calorifică brută (GCV), sau putere 15

18 calorifică superioară (HCV), reprezintă conţinutul total de energie al unui combustibil. Ea se determină prin aducerea tuturor produşilor de ardere înapoi la temperatură iniţială de precombustie (de obicei 25 C) şi, mai ales, condensarea tuturor vaporilor prodşi. HHV asumă că toată apa este în stare lichidă la sfârşitul arderii. Puterea de încălzire superioară depăşeşte puterea calorifică inferioară a gazelor naturale cu circa 11%. 2.2 Unităţi de măsură şi factori de conversie a căldurii Simbolul matematic al căldurii este Q iar unitatea de măsură în SI este Joule-ul (J). În multe domenii aplicate din inginerie sunt folosite şi Unitatea Britanică pentru energia Termică (BTU), tona echivalent petrol (t oe ), şi caloria. Simbolul matematic pentru fluxul termic (puterea termică) este iar unitatea standard, Watt-ul (W), definit ca Jouli pe secundă. Watt-ul este, de asemenea, unitatea cea mai frecvent utilizată în domeniul sectorului biogazului. 1 J = 1 Ws = 1/3600 Wh 1 Wh = 3600 Ws = 3600 J 1 toe = kwh = 41,87 GJ 1 BTU = 1055 J Capacitatea unei instalaţii de biogaz este, de obicei exprimată în kw sau MW (kilo- sau megawaţi) pentru capacitatea totală, kw el pentru capacitatea (puterea) electrică şi kw term pentru capacitatea (puterea) termică. Energia produsă este exprimată în kwh sau MWh (kilosau mega-waţi oră). Energia totală ieşită de la o instalaţie de biogaz este, de obicei, exprimată în kwh/an (kilowaţi oră pe an). Aceasta se bazează pe numărul de ore ale unui an obişnuit, care este 8760 ore pe an. Pentru capacitatea unei instalaţii tipice de biogaz, se utilizează de obicei, prefixe SI: kilo- (10 3 ), mega- (10 6 ) şi giga- (10 9 ). Căldura poate fi masurată fie cu ajutorul unui calorimetru, fie calculată prin utilizarea altor mărimi fizice, cum ar fi de volumul, masa, temperatura şi capacitatea termică. Pentru utilizarea căldurii în sistemele energetice aplicate, cum ar fi cele de termoficare rezidenţială, este de obicei utilizat un contor de energie termică. Acesta este un instrument care măsoară energia termică de la o sursă (de exemplu, de la o unitate CHP pe biogaz), prin măsurarea debitului fluidului folosit pentru transferul termic (de exemplu, apă) şi a variaţiei temperatururii acestuia (ΔT) între conductele de tur şi retur. O mărime importantă pentru unităţile de cogenerare (CHP) este raportul electric - termic, care este raportul dintre energia electrică şi energia termică utilă (Directiva 2004/8/CE). O valoare mare caracterizează o putere electrică mare. Valorile pentru unităţile CHP tipice sunt cuprinse între 0,4 şi 0,9. Următoarele mărimi sunt utile pentru măsurarea şi calculul energiei unei instalaţii de biogaz: Conţinutul de energie al 1 kg biometan: 50 MJ Conţinutul de energie al 1 Nm³ biometan: 35,5 MJ sau aprox. 9,97 kwh Conţinutul de biometan al 1 Nm³ biogaz:0,45-0,75 Nm³ Conţinutul de energie al 1 Nm³ biogaz: 5-7,5 kwh Energia electrică eliberată de 1 Nm³ biogaz: 1,5-3 kwh el Densitatea a 1 Nm³ biometan: 0,72 kg/nm³ O altă mărime care este utilă pentru a ilustra conţinutul de energie al biogazului este echivalentul energetic al 1m³ de biogaz, de aproximativ 0,6 l de păcură. Detalii suplimentare cu privire la factorii de conversie sunt prezentate în capitolul Factori de conversie generali" de la sfârşitul acestui manual. 16

19 2.3 Calitatea căldurii Pe lângă cantitatea de energie, caracteristicile tipului de energie (calitatea) sunt importante atunci când se elaborează concepte pentru utilizarea energiei. Un parametru important ce caracterizează calitatea energiei este transformabilitatea unei forme de energie în altă formă de energie. În general, energia electrică este considerată de o calitate mai mare decât cea termică, deoarece electricitatea poate fi usor transportată şi utilizată în diferite scopuri, cum ar fi producerea de lucru mecanic sau de căldură, în electromagnetică, etc. În termodinamică de multe ori este folosit termenul exergie. Aceasta reprezintă partea maximă din energia unui sistem care poate fi transformată în lucru mecanic util, în cazul în care sistemul este în echilibru cu mediul. În plus, energia termică este caracterizată de valoarea temperaturii şi de cantitatea de căldură. Pentru elaborarea de concepte privind căldura reziduală, temperatura şi cantitatea de căldură sunt importante, deoarece utilizatorul are nevoie întotdeauna de un anumit nivel minim al ambelor mărimi fizice. Temperatura sursei de caldură reziduală trebuie să fie întotdeauna mai mare decât temperatura instalaţiei de încălzire. Valoarea diferenţei de temperatura dintre sursa de caldură şi instalaţie este un factor important al calităţii căldurii reziduale. În general, se poate spune că, cu cât temperatura şi cantitatea de energie (entropia), sunt mai mari, cu atât este mai mare calitatea. Cu cât sunt mai ridicate temperaturile căldurii reziduale, cu atât există mai multe oportunităţi de utilizare a acesteia. Exemple pentru temperaturile minime ale diferitelor utilizări: Furnizarea de apă caldă: Încălzirea locuinţelor: Cicluri Rankine (ORC, CRC): Uscarea de produse agricole: C C C C Aceste exemple sunt tipice pentru utilizarea căldurii reziduale de la instalaţiile de biogaz. Deoarece temperatura gazelor de evacuare din unităţile CHP ale în instalaţiilor de biogaz este, de obicei aproximativ C, utilizarea căldurii reziduale de la instalaţiile de biogaz este limitată. Temperaturile de la circuitele de răcire şi ungere ale motorului sunt chiar mai mici, aşa cum este aratat în capitolul 2.6. Pentru industriile care necesită temperaturi ridicate şi cantităţi mari de energie, această căldură reziduală nu este de obicei suficientă, iar temperaturile sunt prea scăzute. 2.4 Cantitatea şi cererea de energie termică În zilele noastre, capacităţile electrice ale instalaţiilor de biogaz variază de la 50 kw el până la 30 MW el. Capacităţile tipice ale instalaţiilor de biogaz agricol din Europa care utilizează unităţi CHP sunt în jurul a aproximativ 500 kw el, în timp ce sunt produşi aproximativ kw term de căldură reziduală. Din aceasta, aproximativ 500 kw term ar fi disponibili pentru utilizarea de căldură în scop comercial. Aproximativ 25% din caldura produsă este necesară pentru a încălzi digestoarele în condiţiile climatice Central Europene (Figura 6). Presupunând că sunt aproximativ 8000 de ore de funcţionare pe an, energia termică totală a unei instalaţii de biogaz de 500 kw term ar fi 4000 MWh term. Una dintre cele mai simple şi cele mai frecvente utilizări ale energiei termice pentru consumarea de căldură reziduală este încălzirea centralizată şi furnizarea de apa caldă menajeră (DHW) pentru locuinţe. Astfel, exemplul următor prezintă consumul mediu net de energie per persoană în Germania (bazat pe calculele din Paeger 2012): Consumul net de energie pentru încălzire şi DHW per persoană în gospodării: 20,2 kwh/zi sau 7373 kwh/an 17

20 Consumul net de energie pentru încălzire per persoană în gospodării: 17 kwh/zi sau 6205 kwh/an Consumul net de energie pentru încălzire per persoană în gospodării (per m² suprafaţă locuită): 155 kwh/an/m² Consumul net de energie pentru DHW per persoană în gospodării: 3,2 kwh/zi sau 1168 kwh/an Având în vedere consumul net de energie pentru încălzire şi apă caldă per persoană, de 7373 kwh/an, producţia de energie de 4000 MWh term într-o instalaţie de biogaz de 500 kw term, ar fi suficientă pentru nevoile energetice anuale ale unui număr de 543 persoane. Desigur, aceasta este doar o estimare grosieră bazată pe valori medii. Alţi factori, cum ar fi cererea de căldură variabilă sezonier datorită condiţiilor climatice diferite din iarnă faţă de vară, trebuie să fie luaţi de asemenea în considerare. Această sezonalitate a cererii de energie termică este o provocare majoră pentru conceptele căldurii reziduale pentru încălzirea centralizată a locuinţelor. 2.5 Necesarul de căldură pentru digestoare După cum s-a descris în capitolele anterioare, digestoarele trebuie să fie încălzite, cu scopul de a garanta un proces stabil şi eficient. Gama de temperaturi a digestoarelor obişnuite variază de la 38 C la 44 C pentru instalaţiile tipice mezofile de biogaz, în funcţie de materia primă şi pe procesul general. Digestoarele pot fi încălzite prin diferite tehnologii, de exemplu, prin conducte de încălzire de-a lungul pereţilor fermentatorului, sau prin pomparea digestatului printr-un schimbător de căldură. Pentru conceptele de energie termică, este important necesarul de căldură pentru digestoare, deoarece acesta influenţează cantitatea de căldură disponibilă pentru alte scopuri. Necesarul de căldură pentru digestor este influenţat de temperatura mediului şi, prin urmare, de condiţiile climatice. În plus, în staţiile de tratare a deşeurilor, căldura poate fi necesară, de asemenea, pentru igienizarea materiei prime. La evaluarea necesarului de căldură al unei instalaţii de biogaz, trebuie să se facă diferenţierea între necesarul pentru faza de iniţiere şi necesarul de căldură pentru funcţionarea continuă. Necesarul iniţial de căldură (Q start ) este arătat de Ecuaţia 2 şi depinde de caracteristicile specifice ale materiei prime (capacitatea calorică c), cantitatea de materie primă (m) şi diferenţa de temperatură a materiei prime ( T). De asemenea, în faza de iniţiere, o parte din căldură se pierde prin suprafeţa digestorului. Q start Căldura necesară pentru iniţierea procesului de AD [kwh] c Capacitatea calorică a materiei prime [J/kg K] m T t Q lost Masa [t] Variaţia de temperatură a materiei prime înainte şi după alimentarea în digestor [K] Timp (ore) Pierderi de căldură prin suprafeţele digestorului [kwh] Ecuaţia 2 După faza de iniţiere începe funcţionarea continuă. Necesarul de căldură (Q operation ) este, în general, suma dintre căldura pierdută prin pereţii digestorului (Q lost ) şi căldura pierdută ca urmare a evacuării de digestatului (Q digestate ). 18

21 Pentru a reduce necesarul de căldură al digestoarelor este necesară o izolaţie bună (Figura 7). Peretii digestorului sunt de obicei izolaţi cu panouri spumă solidă. Pierderea de căldură este determinată de suprafaţă, de coeficientul de transfer termic şi de variaţia temperaturii (Ecuaţia 3 şi Ecuaţia 4). O schemă simplificată a unui perete de digestor izolat şi profilul termic este prezentată în Figura 5. Podeaua digestorului trebuie să fie, de asemenea, izolată. Folia de acoperire a digestorului este de multe ori neizolată. În cazul în care digestorul este acoperit cu un plafon de beton, acesta poate fi, de asemenea, izolat. Căldura totală pierdută (Q operation ) este suma tuturor pierderilor prin diferitele suprafeţele ale digestorului şi prin evacuarea digestatului (Ecuaţia 4). Pentru a calcula pierderile prin izolaţie trebuie să fie determinat coeficientul de transfer termic (Ecuaţia 5). Cu scopul de a creşte producţia de energie termică, pot fi instalate sisteme de recuperare a căldurii, care utilizează, de asemenea, căldură de la digestatul care părăseşte digestorul. Cele două cele mai eficiente măsuri pentru reducerea pierderilor de căldură sunt izolarea tuturor suprafetelor digestorului (incluzând podeaua, pereţii şi capacul) şi recuperarea de căldură de la digestat. Ecuaţia 3 Ecuaţia 4 Ecuaţia 5 Q lost Căldura pierdută prin suprafeţele digestorului (diferenţiate pe pierderi prin pereţi, podea şi acoperitoare) [kwh] Q operation Căldura pierdută prin suprafeţele digestorului şi digestatul evacuat [kwh] Q digestate Căldura pierdută cu digestatul evacuat [kwh] A U T t h i h a Suprafaţa de transfer termic [m²] Coeficient de transfer termic [W/m²K] Variaţia de temperatură (interior-exterior) [K] Timp [ore] Coeficient de transfer termic prin convecţie în interiorul digestorului [W/m²K] Coeficient de transfer termic prin convecţie în exteriorul digestorului [W/m²K] d 1 Grosimea stratului 1 d 2 Grosimea stratului 2 k 1 k 2 Conductivitetea termică a primului strat [W/mK] Conductivitetea termică a celui de-al 2-lea strat [W/mK] 19

22 Figura 5 Grafic schematic ce prezintă peretele unui digestor, incluzând un profil termic pentru o iarnă rece (-18 C) (Sursa: date proprii; adaptat după Întrucât încălzirea digestorului este influenţată de mai mulţi factori, inclusiv detaliile climatice, este dificil să se calculeze valorile exacte pentru necesarul de căldură. Pentru o estimare grosieră a căldurii necesare pentru încălzirea digestorului, de multe ori sunt folosite următoarele date practice: Într-o unitate CHP sunt produse aprox. 35% electricitate şi 65% căldură Încălzirea digestoarelor necesită aprox. 25% din capacitatea termică a unităţii CHP Raportul electric termic al unităţii CHP pe biogaz (raportul între energia electrică şi energia termică utilizabilă) este de obicei între 0,4 şi 0,9 şi adesea în jurul a 0,85 Figura 6 Sistemul de distribuţie a căldurii, pentru încălzirea digestorului unei instalaţii de biogaz din Aiterhofen, Germania (Sursa: Rutz) Figura 7 Izolaţia digestoarelor (panourile portocalii) în Reichenkirchen, Germania (Sursa: Rutz) Pe lângă consumul anual total de energie al digestorului, distribuția pe luni de funcționare este deasemenea importantă. În funcție de condițiile climatice, acest consum poate varia semnificativ. Aceste variații sunt rareori luate ăn considerare din cauza relativei lipse a datelor specifice. Tipul difestorului și izolația acestuia influențează această variație lunară de consum. Ca exemplu, pentru Germania, în cadrul studiilor de fezabilitate implementate s-a utilizat o 20

23 distribuție lunară de genul celei din Figura 8. Necesarul în cazul digestoarelor este mai echilibrat decât în cazul gospodăriilor pe tot parcursul anului. 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% 13% 13% 11% 11% 10% 10% 11% 4% 9% 8% 3% 3% 3% 5% 6% 6% 6% 6% 13% 13% 11% 8% 8% 9% Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez heat demand digester heat demand household Figura 8 Distribuția lunară a necesarului de energie termică a unui digestor (teoretică) și a unei gospodării (măsurată); studiu de caz, Germania. 2.6 Caracteristici ale motoarelor cu combustie pe biogaz Utilizarea predominantă a biogazului în Europa este pentru producţia de energie electrică în motoare cu ardere internă, numite şi motoare cu gaz. Întrucât conversia energiei în aceste motoare întotdeauna asigură în paralel şi producerea de energie termică, toate motoarele cu gaz sunt definite aici ca unităţi CHP, chiar dacă nu este utilizată căldura. Există mai multe tipuri de motoare cu gaz, care se împart de obicei în motoare Otto cu gaz şi motoare Pilot cu injecţie pe gaz. Detalii cu privire la aceste motoare sunt descrise în capitolele următoare, iar o imagine de ansamblu a unor caracteristici, este prezentată în Tabelul 2. Toate motoarele pe biogaz trebuie să facă faţă provocării unei calităţi variabile a gazelor. În plus, conţinutul de metan este relativ scăzut, atingând niveluri, care sunt chiar mai mici de 45% din volumul total de gaz. Capacităţile generatoarelor pe gaz pot varia intre 10 kw el şi 5 MW el. Mai mulţi producători oferă motoare cu gaz pentru aplicaţii ale biogazului, cum ar fi, de exemplu, Schnell, 2G, Rolls-Royce, Kawasaki, MTU, GE Energy (Jenbacher), Caterpillar, Perkins, MWM, Cummins, Wärtsilä, Dresser-Waukesha, Guascor, sau MAN. Într-un motor cu gaz, energia este transformată în energie utilizabilă şi neutilizabilă. Următoarele valori arată că, din totalul de energie, aproximativ 90% ar putea fi utilizată (valori medii): 10% 35% 55% pierderi energie mecanică (electricitate) căldură utilizabilă Din căldura totală produsă, pot fi caracterizate următoarele categorii de căldură. Cea mai mare pondere a căldurii disponibile este de la gazele de eşapament şi de la circuitul de răcire a motorului. 1-3% circuitul de ungere (uleiul de ungere a motorului): C 3-5% pierderi prin radiaţie 30-40% răcirea motorului (apa de răcire): C 50-60% gazele de eşapament: C Disponibilitatea de căldură de la circuitele de răcire şi ungere a motorului este de obicei constantă şi mai mică de 100 C. Această căldură este de obicei utilizată pentru incalzirea apei în diferite scopuri. Datorită temperaturii sale relativ scăzute, nu se impun cerinţe specifice pentru conductele de apă în ceea ce priveşte rezistenţa la presiuni mai ridicate. 21

24 Disponibilitatea căldurii din gazele de ardere este influenţată de rata de ancrasare (depunere de impurităţi pe suprafaţa de schimb de căldură) a schimbătorului de căldură. Temperaturi de până la 550 C pot fi măsurate la fluxul de gaze de eşapament. Astfel de temperaturi ridicate necesita conducte de inaltă presiune din cauza creării vaporilor. De aceea, sunt adesea folosite uleiuri termice care rămân în stare lichidă la temperaturi ridicate. Însă, datorită conductivităţii termice mai reduse a uleiurilor termice, sunt necesare schimbătoare de căldură, în general, mai mari. Reducerea temperaturii gazelor de eşapament poate conduce la formarea de condens în sistemul de evacuare a gazelor, care ar putea duce la coroziune. Prin urmare, trebuie să fie luate în considerare specificaţiile producătorilor motoarelor. Clasa de putere a unei unităţi CHP este o specificaţie definită de către producător ca puterea maximă ce poate fi utilizată de la această instalaţie. Această limită este, de obicei fixată mai mică decât nivelul la care ar fi afectată instalaţia, pentru a permite o marjă de siguranţă. Cu toate acestea, este de asemenea posibil ca, odată cu îmbătrânirea unităţii CHP, puterea maximă să scadă. Astfel, capacitatea electrică reală, de obicei, diferă de clasa de putere a producătorului Motoare Otto pe gaz Motoarele Otto pe gaz (Figura 8) sunt motoare proiectate special pentru utilizarea de gaze. Acestea se bazează pe principiul Otto şi, de obicei, operează cu exces mare de aer, cu scopul de a reduce la minimum emisiile de monoxid de carbon. Capacitatea electrică a generatoarelor Otto pe gaz variază, de obicei, între 100 kw el şi 1 MW el şi pot fi folosite pentru biogaz cu un conţinut de metan mai mară de 45%. Eficienţa electrică variază între 34 şi 40%, iar durata medie de viaţă a motoarelor Otto pe gaz este de aproximativ ore. După o revizie generală la fiecare ore durata de viaţă poate fi prelungită. Durata de viaţă, în general, depinde foarte mult de caracteristicile de exploatare şi de intervale de întreţinere Motoare Pilot cu injecţie pe gaz Motoarele Pilot cu injecţie pe gaz (numite şi Motoare Pilot cu Injecţie sau Motoare cu Combustibil Dual) (Figura 9) se bazează pe principiul motorului Diesel. La fel ca motoarele Otto cu gaz şi motoarele Pilot cu injecţie sunt operate cu exces mare de aer. Pentru funcţionarea lor, este necesară până la 10%, motorină sau ulei de aprindere, care este injectată direct in camera de ardere în timp ce biogazul este injectat împreună cu aerul. În general, motoarele pot, de asemenea, funcţiona numai cu motorină sau cu ulei. În unele ţări, cum este Germania, se cere să fie utilizat, fie biodiesel, fie ulei vegetal drept combustibil de aprindere, cu scopul de a obţine tarife fixe (feed-in). Utilizarea de combustibili de aprindere fosili nu este o practică eligibilă pentru a obţine tarife fixe (feed-in). Utilizarea tipică a generatoarelor Pilot cu injecţie pe gaz includ capacităţi instalate de până la 250 kw el. Eficienţa electrică variază între 30% şi 40%, iar durata medie de viaţă a motoarelor Pilot cu injecţie pe gaz este de aproximativ ore, după care, de obicei, motorul trebuie să fie înlocuit, deoarece acest lucru este de obicei mai ieftin decât o revizie generală. 22

25 Tabelul 2 Caracteristici diferenţiate pe motoare Otto pe gaz şi motoare Pilot cu injecţie pe gaz (adaptat din FNR 2010) Capacitate electrică instalată Motoare Otto pe Gaz Poate fi mai mare de 1MW, capacittăţi <100 kw se găsesc rar Motoare Pilot cu Injecţie pe Gaz < 340 kw Conţinut de metan > 45 % Adecvate şi pentru biogaz cu conţinut foarte scăzut de CH 4 Eficienţa electrică 34-42% 30-44% Durata de viaţă ore ore Combustibil adiţional fără 1-5% ulei de aprindere Adecvabilitate Avantaje Dezavantaje mai degrabă pentru instalaţii de biogaz mai mari + proiectate special pentru gaze + valori bune ale emisiei de gaze de eşapament + sunt necesare eforturi pentru întreţinere mai mici + eficienţa totală mai mare decât a motoarelor Pilot cu injecţie - costurile de investiţie sunt ceva mai mari decât pentru motoarele Pilot cu injecţie pe gaz - costuri mai mari datorită unei producţii generale de motoare mai puţin numeroase - eficienţă el. mai redusă decât a motoarelor Pilot cu injecţie pe gaz mai degrabă pentru instalaţii de biogaz mai mici + costuri de investiţie mai mici + eficienţă electrică mai mare decât a motoarelor Otto cu gaz + cerinţe mai reduse pentru calitatea gazului - sunt necesare eforturi pentru întreţinere mai mari - eficienţa totală mai mică decât a motoarelor Otto cu gaz - este necesar combustibil adiţional (ulei) - valori mai mari ale emisiei de gaze de eşapament (NO x ) 23

26 Figura 9 Generator Otto cu gaz într-o instalaţie de biogaz din Germania (Sursa: Rutz) Figura 10 Generator cu combustibil dual (Motor Pilot cu Injecţie) cu capacitate de 235 kw el cu o turbină integrată pe gazul de evacuare cu capacitate de 30 kw el (Sursa: Schnell Motoren AG) 2.7 Concepte ale instalaţiilor de biogaz pentru producerea combinată de electricitate şi căldură Cei mai mulţi operatori de instalaţii de biogaz încearcă să maximizeze durata de funcţionare a unităţilor lor de cogenerare. Funcţionarea la capacitate maximă pe mai mult de 8000 de ore pe an este posibilă, dar aceasta este de obicei un pic mai mică. Motivul pentru maximizarea duratei de funcţionare se datorează celor mai multe scheme de sprijin, cum ar fi tarifele feedin. Ele oferă, de obicei, stimulente pentru cantitatea de energie electrică produsă. În alte concepte şi dacă ar fi introduse schemele de sprijin adecvate, unităţile de cogenerare ale instalaţiilor de biogaz ar putea funcţiona, ori pe bază de energie electrică ori termică, determinat de cerere. Într-un sistem care este dominat de cererea de energie electrică, energia de la o unitate CHP pe biogaz ar putea fi utilizată pentru managementul încărcării reţelei. Într-un sistem care este dominat de cererea de energie termică, căldura de la o unitate CHP pe biogaz ar fi ajustată pentru necesarul real de căldură. Astfel de sisteme, totuşi, nu sunt frecvente, deoarece acestea nu sunt susţinute de stimulente. În plus, instalaţiile de de biogaz destinate energiei termice sunt legate de o serie de provocări, incluzând de ex. sezonalitatea cererii de energie termică pentru încălzire rezidenţială. O limitare generală a producţiei bazate pe cererea de electricitate şi căldură este capacitatea de stocare a biogazului buna, dar limitata. În caz de injectare a biogazului îmbunătăţit (biometanul) în reţeaua de gaze naturale, problema instalaţiilor de biogaz privind depozitarea, este rezolvată, deoarece reţeaua de gaze naturale are o capacitate de stocare foarte mare. În rezumat, cele mai multe unităţi CHP ale instalaţiilor de biogaz încearcă să maximizeze producţia de energie electrică. Pentru alte unităţi CHP, de ex. pentru unităţi CHP la scară mică în gospodării, care funcţionează pe gaz natural sau biometan, unitatea CHP este, de obicei, determinată de cererea de energie termică. 24

27 3 Opţiuni ale instalaţiilor de biogaz pentru utilizarea căldurii Utilizarea căldurii reziduale de la unităţile de cogenerare (CHP) este un factor crucial pentru performanţa economică şi de mediu a instalaţiilor de biogaz. Aceasta trebuie să fie fezabilă din punct de vedere economic şi tehnic. În cazul în care aplicarea unui concept solid de căldură nu este posibilă, trebuie să fie luate în considerare alte solutii, cum ar fi îmbunătăţirea şi injectarea biometanului în reţea, sau instalarea de conducte de biogaz. În multe cazuri, este mai bine să renunţe la planurile pentru un proiect de instalaţie de biogaz dacă nu poate fi dezvoltat nici un concept acceptabil pentru utilizarea căldurii. Dacă sunt planificate bine şi destul de anticipativ, totuşi, concepte de căldură pot fi dezvoltate pentru cele mai multe instalaţii de biogaz. Cu cât sunt mai flexibile condiţiile-cadru, cu atât sunt disponibile mai multe opţiuni pentru utilizarea căldurii reziduale. Aceste condiţii-cadru includ de ex. amplasamentul instalaţiei, potenţialii interesaţi consumatori de căldură, probleme juridice, lichidităţi, etc. Produsul principal al instalaţiilor de biogaz este energia electrică ce este, de obicei, alimentată în reţeaua de electricitate. După cum arată Figura 10, în foarte puţine cazuri poate fi utilizat CO 2, de ex. pentru îmbunătăţirea creşterii plantelor în sere, pentru producţia de alge, sau pentru instalaţiile electricitate-în-gaz (capitolul 4.6). Principala provocare este utilizarea durabilă a energiei termice. Aceasta poate fi, în general, utilizată direct pentru încălzire, dar şi pentru producerea de energie electrică suplimentară, pentru răcire, sau pentru uscare. Aceste opţiuni sunt discutate în capitolele următoare. Figura 11 Diagramă simplificată pentru utilizarea biogazului 25

28 3.1 Încălzirea Utilizarea directă a căldurii pentru diferite aplicaţii este printre cele mai eficiente soluţii de utilizarea durabilă a căldurii reziduale. Astfel, combustibilii fosili, de obicei, pot fi înlocuiţi şi emisiile de GES reduse considerabil. Cel mai simplu mod de utilizare a energiei termice este de ex. pentru încălzirea clădirilor şi alimentarea cu apă caldă pentru operatorul instalaţiei, mai ales dacă este o instalaţie agricolă. Cu toate acestea, mai multe considerente fac necesare alte concepte de utilizare a căldurii. Aceste consideraţii includ, de exemplu, cantitatea de energie. Căldura produsă de instalaţiile agricole de biogaz de dimensiuni medii este adesea mai mare decât necesarul de căldură al fermelor. În plus, instalaţiile de biogaz pot fi prea departe de clădiri, creându-se astfel nevoia de alte optiuni de utilizare a energiei termice decât încălzirea directă. În cele din urmă, cantitatea şi calitatea cererii şi alimentării cu căldură sunt influenţate de variaţiile sezoniere sau zilnice. Pentru proiectarea sistemelor de încălzire, trebuie să fie evaluate cât mai detaliat posibil caracteristicile cererii de energie termică. Următoarele caracteristici trebuie să fie determinate: Cererea totală de energie termică Cererea anuală de energie termică Cererea de vârf de energie termică Variaţia sezonieră a cererii de energie termică În funcţie de marimea sistemului de încălzire, pot fi utilizate modalităţi diferite pentru a determina caracteristicile consumatorilor de căldură. Verificarea facturilor din trecut ale consumatorilor pentru încălzire Măsurători Calcule Detalii cu privire la procesul de proiectare a sistemelor de încălzire sunt descrise în capitolul 3.1.1, deoarece majoritatea instalaţiilor de biogaz cu un concept de utilizare directă de căldură includ sisteme de termoficare de diferite dimensiuni Termoficarea Utilizarea directă de căldură în sisteme de termoficare (DH) este cel mai simplu mod de valorificare a căldurii reziduale. Scara sistemului de termoficare poate varia de la sisteme la scară foarte mică în care sunt conectate doar câteva locuinţe (micro-reţele de încălzire) (Figura 12) la sisteme la scară mare, în care sunt conectate oraşe întregi. Energia termică de la instalaţiile de biogaz pot fi folosite pentru alimentarea atât a sistemelor la scară mică cât şi a celor mari. Sisteme de termoficare mai mari sunt definite ca sisteme de distribuţie a energiei termice generate la o locaţie centralizată, cum ar fi de la o instalaţie de biogaz, pentru necesităţile de încălzire rezidenţiale şi comerciale, cum ar fi încălzirea spaţiilor şi apa caldă menajeră. În sistemele mai mari, este de asemenea posibil sa se conecteze mai multe generatoare de căldură în acelaşi sistem. Energia termică este distribuita consumatorilor prin intermediul unei reţele de conducte şi în mod direct sau indirect conectate prin schimbătoare de căldură (Figura 14, Figura 15, Figura 20). Sistemele de termoficare constau în linii de conducte de tur şi retur, care creează un circuit de încălzire închis. Acestea transportă apă fierbinte sau abur la consumatori şi apă rece înapoi la generatoarele de căldură. Datorită temperaturilor mai mici ale căldurii produse în instalaţiile de biogaz, de obicei, este utilizată numai apă caldă, şi nu aburi. Conductele trebuie să fie foarte bine izolate şi instalate subteran. Totuşi, există şi sisteme cu conducte suprateran. Diametrele conductelor sunt influenţate de mărimea sistemului şi de volumul de apă transportată. Echipamentele auxiliare pot include 26

29 schimbătoare de căldură şi echipamente de conectare, sisteme de stocare de căldură şi calorimetre. Figura 12 Lucrări pentru intalarea unei conducte de încălzire (Sura: Thermaflex Isolierprodukte GmbH) Figura 13 Echipament de excavare direcțională (Sursa: Rutz) În funcţie de sistem, consumatorul final, de obicei, primeşte căldură prin-un schimbător de căldură (Figura 11). Cu toate acestea, există şi sisteme în care circuitul de încălzire este conectat direct la circuitul de încălzire al consumatorului. Acest lucru reduce pierderile de căldură, de aproximativ 5% per schimbător de căldură, dar este nevoie de un sistem mai sofisticat şi de mai multe eforturi de întreţinere, deoarece defecţiunile ar putea afecta întregul sistem. Deşi sistemele moderne de termoficare sunt foarte eficiente, pierderile de căldură sunt inevitabile. Pierderile trebuie să fie cât mai scăzute posibil, dar calculele trebuie să ia în considerare întotdeauna un compromis între pierderi şi costurile pentru evitarea pierderilor. Următorii parametri influenţează pierderile de căldură într-un sistem de termoficare: Lungimea sistemului de conducte Izolaţia conductelor (Figura 18) Tipul de sol Grosimea stratului de sol de deasupra conductelor (Figura 12, Figura 19) Volumul, debitul şi temperatura apei din circuit Diferenţa de temperatură prevăzută la schimbătorul de căldură final Numărul de schimbătoare de căldură care sunt conectate în serie Există diferite modalităţi de exprimare a pierderilor într-un sistem de termoficare (Wiese 2007): Diferenţa de temperatură dintre începutul şi sfarşitul sistemului Valori relative ori procente ale pierderilor de căldură Valori absolute ale pierderilor de căldură în kw De obicei, producătorii de conducte pentru căldură specifică procentele de pierdere de căldură pentru produsele lor. Cu toate acestea, pentru proiectarea reţelelor de termoficare, se recomandă să se utilizeze valori absolute, deoarece acest lucru poate reflecta şi pierderile de caldură la sarcini termice diferite. Proiectul Ecoheat4cities ( a dezvoltat o etichetă voluntară pentru măsurarea şi comunicarea performanţei sistemelor de termoficare, inclusiv regenerabilitatea energiei, eficienţa utilizării resurselor (factor de energie primară) şi eficienţa / emisiile de CO 2. Acesta va permite, astfel, ca actori din întreaga Europă să vadă şi să arate cum pot contribui 27

30 termoficarea şi răcirea centralizată la atingerea ţintelor energetice relevante şi să faciliteze evaluarea DHC ca o opţiune viabilă şi competitivă pe piaţa pentru încălzire şi răcire a Europei. Consumatorii tipici de căldură reziduală de la instalaţiile de biogaz sunt entităţi industriale şi comerciale, entităţi publice şi consumatori privaţi. Consumatorii cu o cerere de căldură, de obicei mare şi continuă pe tot parcursul anului includ de ex. marii producători de carne, acvacultori, spălătorii, centre de recreere, spitale, piscine şi SPA-uri. Mai puţin stabilă este, de obicei, cererea hotelurilor, cantinelor, depozitelor alimentare, şcolilor şi locuinţelor rezidenţiale private. Instalarea unui sistem de termoficare pentru căldura reziduală de la instalaţiile de biogaz este asociată cu costuri de instalare considerabile. Cu cât sunt mai mari distanţele dintre centrala de biogaz şi consumatorul de căldură, cu atât mai mari sunt costurile. În cele mai multe proiecte, distantele sunt respectate la mai mici de 4 km. Din cauza costurilor ridicate de instalare, precum şi eforturile mari necesare pentru construirea unui sistem de termoficare, ar trebui să se facă contracte pe termen lung între furnizor şi consumator. Trei concepte diferite pot fi aplicate la sistemele de termoficare ale centralelor de biogaz, şi anume alimentarea bazală cu energie termică, alimentare totală cu energie termică şi vânzarea către companii cu servicii de încălzire. Figura 14 Punct de conexiune al unui sistem de încălzire de la o stație de biogaz din Germania (schimbătorul de căldură în dreapta conductelor) (Sursa: Rutz) Figura 15 Echipament de conectare (incluzând un schimbător de căldură) a unui consumator final conectat la un sistem de termoficare în Achental, Germania (Sursa: Rutz) Figura 16 Conductă dublă din polie-etilenă pentru încălzirea deigestorului Figura 17 Conductă dublă PE (Sursa: Rutz) 28

31 Alimentare bazală cu energie termică În acest concept, operatorul centralei de biogaz furnizează numai fracţiunea disponibilă de caldură de la instalaţia de biogaz pentru consumatorul de căldură. Operatorul nu garantează furnizarea integrală de energie termică. Prin urmare, este necesar ca, consumatorul de energie termică, să fie echipat şi cu încălzitoare suplimentare care pot fi pornite în cazul în care este furnizată insuficientă energie termică de către operatorul centralei de biogaz. Acest lucru se produce în principal în perioadele de vârf de cerere sau când nu funcţionează instalaţia de biogaz (de ex. defectarea sistemului, întreţinerea). În sistemul bazal de alimentare cu energie, riscul operatorului centralei de biogaz este redus la minim. Însă, operatorul centralei de biogaz, de obicei, nu primeşte preţuri rezonabile pentru această energie termică. Consumatorii de căldură beneficiază, în general, de preţuri foarte mici pentru energia termică, însă trebuie să plătească pentru instalarea şi întreţinerea încălzitoarelor suplimentare. Alimentare integrală cu energie termică În acest concept, întreaga cererea de energie termică este asigurată de operatorul centralei de biogaz. Aceasta include şi furnizarea la cererea de vârf de ex. în ierni reci, precum şi aprovizionarea în caz de întreţinere sau defecţiune a sistemului. În multe contracte din Germania, alimentarea cu energie pentru temperaturi scăzute de până la -15 C este garantată. În acest sistem operatorul centralei de biogaz are costuri mai ridicate de investiţii, deoarece trebuie să fie instalate încalzitoare de vârf sau de urgenţă. Pentru a asigura acest lucru, racordarea la reţeaua de gaze naturale este benefică, deoarece gazul natural ar putea fi, de asemenea, în ars unităţile CHP şi în arzătoarele pe biogaz. În acest concept, riscul este mai mare pentru operatorul centralei, deoarece el trebuie să garanteze furnizarea continuă de energie termică aşa cum este convenit în contractele pentru energiea termică semnate. Întrucât consumatorul are pe deplin externalizată alimentarea cu energie termică la operatorul centralei de biogaz, pot fi percepute preţuri mai mari pentru energia termică. Vânzarea către companiile de termoficare sau cele pentru servicii de încălzire În cele din urmă, este posibil ca operatorul instalaţiei de biogaz să vândă întreaga energie termică la compania locală DH (de termoficare) sau la o companie de servicii specializată pe energie termică, numită şi companie de servicii energetice (ESCo). Compania DH sau ESCo cumpară, de obicei, toata caldura de la operatorul instalaţiei şi garantează alimentarea integrală cu energie termică la consumatorul de căldură. În consecinţă, societatea DH sau ESCo trebuie să opereze încălzitoare de vârf şi de urgenţă. Acestea pot funcţiona pe combustibili tradiţionali, cum ar fi de ex. pe gaz natural sau ulei fosil ori pe bază de biocombustibili, precum biogazul de la alţi operatori de instalaţii, pe peleţi, biodiesel, sau ulei vegetal. 29

32 Figura 18 Conducte izolate pentru termoficare în Germania (Sursa: Rutz) Figura 19 Construirea unui sistem de termoficare în Germania (Sursa: Rutz) Figura 20 Schimbător de căldură spiral în Danemarca (Sursa: Rutz) Figura 21 Boiler pe biogaz de capacitate 1,500 kw în Danemarca (Sursa: Rutz) Proiectarea unui sistem de termoficare Pentru planificarea unei reţele de termoficare, este important să se ia în considerare faptul că, de obicei, sunt implicate mai multe părţi interesate. Acestea pot include operatorii de instalaţii de biogaz, consumatorii de căldură, proprietari de terenuri de pe ruta de transport, autoritatea locală, companiile de servicii de energie termică, companiile DH, proiectanţi, companii de implementare şi rezidenţi. Participarea lor ar trebui să fie deja prevăzută în procesul de proiectare timpurie. Conceptele DH în special la scară mare sunt complexe. Cu scopul de a realiza concepte de termoficare pentru căldura reziduală de la instalaţiile de biogaz, proiectul trebuie să fie fezabil tehnic şi economic. Acest lucru poate fi evaluată prin investigarea unor modele şi date de consum ale consumatorilor de căldură existenţi. Astfel, trebuie să fie evaluate modelele de consum sezoniere şi zilnice şi vârfurile de sarcină (Schröder 2007). În plus, este important să se ia în considerare viitoare dezvoltări, cum ar fi reamenajări planificate ale clădirilor. 30

33 Cea mai simplă modalitate de estimare a consumului se poate face prin verificarea facturilor din trecut ale consumatorilor pentru încălzire. Se recomandă să se verifice facturile pe mai mulţi ani trecuţi. Această metodă este adecvată în special în cazul în care vor fi conectaţi doar puţini consumatori şi dacă necesarul de căldură este mult sub capacitatea termică a instalaţiei de biogaz. O altă metodă de evaluare a cererii de energie termică este prin măsurători. Acestea pot include măsurători orare, zilnice sau lunare. În instalaţiile existente mai mari, sistemele de încălzire sunt uneori deja monitorizate, astfel încât aceste date pot fi, de asemenea, utilizate. Sunt necesare măsurători detaliate în cazul în care cererea de alimentare cu energie termică integrală ar trebui să fie acoperită sau dacă cererea de energie termică integrală este apropiată de oferta de energie termică disponibilă a instalaţiei de biogaz. Prin utilizarea datelor măsurate, pot fi trasate curbele de sarcină şi curbele duratelor de solicitare. O curbă de sarcină termică este un grafic care prezinta consumul de căldură efectiv de-a lungul timpului, de obicei, un an (8760 ore). Aceasta oferă informaţii cu privire la necesarul de căldură totală, la vârfurile de sarcină, precum şi la caracteristicile dependente de timp. Figura 22 Exemplu de date măsurate de consum de căldură a două gospodării, una dintre ele având alipite o crescătorie de porci și o piscină , din studii de fezabilitate 31

34 Figura 23 Exemplu de date măsurate de consum de căldură pentru o uscătorie de peleți (pentru aceeași stație de biogaz din Figura 22) O curba a duratelor de solicitare termică este similară cu cea de sarcină termică, dar datele de solicitare sunt ordonate în ordinea descrescătoare a mărimii şi nu cronologic. Figura 24 prezinta un exemplu de curbă a duratelor de solicitare pentru un sistem de termoficare de dimensiune medie. În plus, arată cât de multă energie termică ar putea fi furnizată la nivel bazal, de către o centrală de biogaz cu capacitate de 600 kw term şi aproximativ 7200 ore de funcţionare. Astfel, alimentarea cu energie termică la vârful de sarcină ar trebui să fie furnizată de un alt sistem. În cazul în care ar trebui să fie acoperită alimentarea integrală cu energie termică de către centrala de biogaz, capacitatea ar trebui să fie aproximativ 1800 kw term în acest exemplu. 32

35 Figura 24 Exemplu de curbă a duratelor de solicitare termică a unui sistem de termoficare ce integrează o unitate CHP de 600 kw Figura 25 Exemplu de curbe de sarcină termică de-a lungul unui an pentru o centrală de biogaz de 600 kw term din Europa Centrală În cele din urmă, se pot face calculele pentru necesarul de energie termică. Pentru necesarul de energie termică al clădirilor, calculele de obicei includ date privind suprafaţa de locuit încălzită, starea izolaţiei, numărul de persoane conectate ce utilizează apă caldă, precum şi parametrii climatici locali. 33

36 Producţia de energie termică, ca şi cererea de energie termică, este puternic influenţată de condiţiile-cadru climatice. Astfel, trebuie să fie luate în considerare în special cele mai reci temperaturi ale locaţiei, deoarece acestea influenţează valoarea şi durata vârfului de sarcină, precum şi capacitatea maximă a sistemului de încălzire instalat. Datele climatice sunt adesea furnizate de către instituţiile meteorologice publice. Datele climatice sunt utilizate, împreună cu datele referitoare la cladirile conectate (tipul de construcţie şi forma, nivelul de izolaţie, mărimea suprafeţelor ferestrelor, şi destinaţia clădirii), pentru a calcula cererea exactă de energie termică şi specificaţiile sezoniere ale unui sistem de termoficare. În funcţie de cerinţele sistemului, pot fi incluse într-un sistem de termoficare două sisteme diferite de stocare a căldurii. Rezervoarele tampon sunt folosite pentru egalizarea variaţiilor zilnice si pe termen scurt ale cererii de energie termică. Potrivit unui exemplu al lui Gaderer et al. (2007), în Germania, utilizarea unui rezervor tampon permite aprovizionarea a aproximativ 20 de case uni-familiale, de la o instalaţie de biogaz de 150 kw el şi 57 case uni-familiale, de la o instalaţie de biogaz de 500 kw el. Celelalte sisteme de stocare sunt sistemele de stocare sezoniere, care permit stocarea căldurii reziduale produse în timpul verii pentru consumul din timpul iernii. În acest caz, Gaderer et al. (2007) a arătat că pot fi alimentate aproximativ 48 de case uni-familiale, de la o de 150 kw el şi 135 case uni-familiale, de la o instalaţie de biogaz de 500 kw el. Sistemele sezoniere de stocare sunt, de obicei, depozite de căldură tip foraj care stochează energie termică în sol. În aceste sisteme caldura este schimbată prin intermediul unor tuburi U sau printr-un sistem de conducte deschis. Tabelul 3 Date calculate pentru o micro-rețea de încălzire locală - Germania Doar cu încălzire locală Încălzire locală și conductă de biogaz Lungimea rețelei [m] 1, Lungimea conductei de biogaz [m] 0 1,016 Căldură necesară pentru apartamente și sala de sport (utilizată) [kwh/a] 1,497, ,000 Debit termic [kwh/m/a] 1,016 1,722 Piederi [W/m] Pierderi pe întregul sistem [W] 32,406 11,880 Pierderi totale [kwh/a] 283, ,069 Pierderi pe unitate [kwh/m] Necesar de căldură total = căldură la consumatori [kwh/a] + pierderi totale [kwh/a] Rprocent pierderi din total % (conform EEG) Pierderi în funcție de căldura livrată (utilizată plus pierdută) % (valoare tehnică) 1,781,164 1,034,069 19% 11% 16% 10% Hale pentru creşterea animalelor Fermele de porci şi de păsări de curte produc carne pe întregul an şi în timpul iernii. Cu scopul de a garanta producţia continuă şi de a creşte producţia, halele sunt adesea incălzite, mai

37 ales în timpul iernii. Legarea instalaţiilor de biogaz, de fermele de porci şi de păsări domestice, permite utilizarea bălegarului şi gunoiului, ca materie primă pentru instalaţia de biogaz, iar utilizarea căldurii reziduale, pentru aclimatizarea halelor. Aceste sinergii pot fi folosite în sistemele de creştere a animalelor la scară mare. Însă şi unităţile mai mici şi fermele organice pot beneficia, deoarece, în general, este nevoie de mai mult spatiu (încălzit) per animal. Creşterea porcilor Porcii sunt de obicei crescuţi în condiţii diferite în funcţie de vârsta lor. Încălzirea corectă poate contribui în mod semnificativ la îmbunătăţirea condiţiilor şi, prin urmare, la productivitatea sistemului agricol. Porcii au nevoie de hale calde şi uscate, care să îi protejeze de frigul iernii. Următoarele niveluri de temperatură, în funcţie de vârste, sunt adecvate pentru creşterea porcilor: prima săptămână: 32 C a 2-a a 4-a săptămână: 28 C a 4-a a 8-a săptămână: C îngrăşare: 20 C În special porcii tineri (purceii) au nevoie de temperaturi mai mari. Diferite sisteme de încălzire sunt disponibile, cum ar fi radiatoarele zonale, ori placile de încălzire. Necesarul de energie termică per porc este de aproximativ 16 kwh pe lună în condiţiile climatice din sudul Germaniei (Schulz et al. 2007). Figura 26 Fermă de porci ventilată în Germania, încălzită cu energie termică de la o stație de biogaz (Sursa: Rutz) Creşterea păsărilor Avicultura reprezintă creşterea păsărilor domestice, cum ar fi găini, curcani, raţe şi gâşte, pentru carne agricolă sau ouă pentru alimentaţie. 35

38 Găinile sunt cele mai numeroase păsări crescute. Există mai multe sisteme diferite de creştere, dintre care creşterea în sisteme de interior este una dintre practicile cele mai aplicate. Găinile pentru producţia de carne, aşa-numiţii pui-de-carne, sunt crescuţi pe podeaua unor hale mari. Aceste hale sunt echipate cu sisteme de hrănire, sisteme de ventilaţie şi încălzitoare. Temperaturile tipice în halele pentru creşterea puilor de carne, în funcţie de diferitele vârste ale puilor, sunt rezumate în Tabelul 4. Se face o diferenţiere între sistemele de încălzire centrală care încălzesc întreaga hală şi încălzitoarele radiante care încălzesc numai anumite părţi ale halei (zonele de sub încălzitoare) şi care, de obicei, funcţionează cu energie electrică. Tabelul 4 Temperaturi optime în halele pentru creşterea puilor (Berk 2008) Vârsta (zile) Sistem de încălzire centrală pentru întreaga hală [ C] Încălzitoare radiante [ C] > Sere Serele (Figura 27) au adesea nevoie de multa energie pentru crearea celor mai bune condiţii de creştere pentru culturi. Costurile de încălzire sunt de obicei printre cele mai mari costuri operaţionale ale serelor. Temperaturi de C sunt de multe ori necesare, chiar şi în anotimpurile reci. Aşadar, utilizarea căldurii reziduale de la instalaţiile de biogaz poate constitui o sursă de căldură bună şi ieftină. O precondiţie pentru aceasta este ca sera să se afle în imediata apropiere a instalaţiei de biogaz. Sistemul de încălzire cel mai potrivit în sere este cu circuite de incalzire cu apă (Figura 28), deoarece acesta poate fi reglat cu precizie şi deoarece poate fi redusă circulaţia aerului, întrucât încălzitoarele cu aer au mai multe dezavantaje. Un factor important pentru a determina dacă o seră este un consumator de căldură adecvat pentru căldura reziduală, este necesarul de căldură. Gabloffsky (2007) menţionează că necesarul anual de combustibil pentru încălzirea serelor la 20 C, în Germania, ajunge la circa 600 kwh/m². S-a dezvoltat o mai bună izolare serelor, dar este încă limitată datorită faptului că trebuie să penetreze şi suficientă lumină prin învelitoarea transparentă. Ecuaţia 6 poate fi utilizată pentru determinarea necesarului de căldură (BDEW 2009): Ecuaţia 6 36

39 A 1,4) Necesarul de căldură [W] Suprafaţa învelitoarei transparente [m 2 ] (ca şi suprafaţa podelei în [m²] x u Coeficient al necesarului de căldură [W/m 2 K] t i t a Temperatura din interiorul serei [ C] Temperatura minimă a mediului ambiant al locaţiei [ C] Coeficientul necesarului de căldură u este o valoare pentru necesarul de căldură al diferitelor tipuri de seră şi variază de la 4,6 pentru sere cu geamuri duble cu un sistem de incalzire mixt, la 10 pentru sere simple, cu folii si ţevi de căldură ridicate deasupra solului. Trebuie să se considere că necesarul de căldură cel mai mare pentru sere are loc în sezonul rece, şi anume în timpul iernii, precum şi toamna târziu şi primăvara devreme. De asemenea, căldura disponibilă de la instalaţia de biogaz este mai mică în sezonul rece, deoarece este nevoie de mai multa energie pentru a incalzi digestoarele. Facilităţile pentru stocare de căldură pot egaliza variaţiile, dar, în general, sunt foarte limitative privind costurile. Pentru proiectarea exacta a cererii de energie termică a unei sere, sunt necesare calcule detaliate. În cele din urmă ar trebui să fie luată în considerare şi utilizarea CO 2 de la fluxul de gaze de ardere din unitatea CHP, deoarece CO 2 sporeşte creşterea plantelor. Figura 27 Sere Aclimatizate în Germania (Sursa: Rutz) 37

40 Figura 28 Radiator al unui sistem de încălzire a unei sere din Germana (Sursa: Rutz) Acvacultura Există multe oportunităţi pentru sistemele de acvacultură integrată. De exemplu, într-un sistem integrat de piscicultură & irigaţii (IFFI) este construită o facilitate piscicolă între sursa de apă şi terenul irigat, care furnizează substanţe nutritive pentru teren. În exemplul conceptului Aquaponic, scopul este de a dezvolta o eco-tehnologie durabilă pentru a integra şi combina acvacultura şi horticultura, cu emisii reduse şi care optimizează fluxurile de apă reutilizabilă. Acronimul Aquaponic e format din cuvinte acvacultură (peşti) şi hidroponic (legume). Există multe alte concepte similare. În general, situaţii de tip câştig-câştig pot fi create dacă sunt legate instalaţii de biogaz de acvacultură. În unele sisteme, digestatul este utilizat ca îngrăşământ pentru acvacultură. În alte sisteme, deşeurile de la acvacultură sunt folosite ca materie primă pentru instalaţiile de biogaz. În ultimii ani a fost dezvoltat un nou concept, care a câştigat interes din ce în ce mai mare în Europa şi anume, utilizarea căldurii reziduale de la instalaţii de biogaz pentru încălzirea acvaculturilor. Peştii şi creveţii din mare sau din alte corpuri de apă sunt, în general, din ce în ce mai rari. De aceea, aceştia sunt din ce în ce mai cultivaţi în mod artificial şi, adesea, cu impacte mari asupra mediului. Acvaculturile încălzite sunt încă rare în Europa din cauza costurilor ridicate ale energiei. Utilizarea căldurii reziduale de la instalaţiile de biogaz oferă noi oportunităţi pentru fermieri de a produce produse suplimentare de înaltă calitate. Acvacultura poate fi o sursă nouă interesantă de venit, care permite şi cultivarea unor specii tropicale în climatele europene. Mai multe proiecte au fost recent demarate în Europa Centrală şi sunt promiţătoare. Totuşi, astfel de proiecte sunt asociate cu riscuri ridicate şi o condiţie prealabilă este un interes ridicat al operatorului în acvacultură. Următoarele aspecte sunt importante pentru proiectarea proiectelor de acvacultură: Conectarea la (mai multe) cursuri de apă şi de ape uzate Cunoştinţe ale operatorului în domeniul acvaculturii 38

41 Cunoştinţe ale operatorului în abatorizarea şi comercializarea peştilor Disponibilitatea unei pieţe (locale) pentru produsele respective Preţul şi cantitatea produselor Condiţii-cadru juridice Costuri de investiţii Disponibilitatea şi adecvabilitatea tehnologiilor Acvaculturile încălzite pot fi crescătorii terestre de peşti, însă pot fi implementate şi sisteme de acvaculturi din ce în ce mai închise sau, aşa numitele ferme piscicole cu circuite tip buclă închisă ori sisteme de acvacultură cu recirculare. Există sisteme atât pentru specii de peşti şi creveţi de apă dulce cât şi de apă sărată, precum şi atât pentru speciile din climate temperate, cât şi tropicale. Acvaculturile în sistem închis din Europa de sunt de obicei construite în hale, mai ales în cazul în care sunt crescute specii tropicale, care necesita eforturi considerabile de încălzire. Sistemul constă de obicei din mai multe bazine, care pot fi realizate din material sintetic sau beton. Există abordări diferite pentru circulaţia apei, care poate suferi un proces de curăţare, fie într-un sistem centralizat, fie separat pentru fiecare bazin. Pentru creşterea speciilor trebuie să fie create condiţii ideale de creştere. Aceste condiţii sunt influenţate de următorii parametri: hrănire, calitatea apei, condiţiile generale de igienă, de ventilaţie, temperatura apei şi numărul de peşti per volum. Unul dintre parametrii cele mai importanţi este curăţenia şi condiţiile igienice, cu scopul de a evita bolile şi agenţii patogeni şi, astfel, să se evite nevoia de aplicatii medicale. Datorită sistemelor de filtrare microorganică, nu poate fi aplicat nici un medicament antibiotic, deoarece acestea ar putea influenţa negativ sau distruge microorganismele acestor sisteme de filtrare. Mai mulţi parametri pot fi monitorizaţi şi controlaţi în mod automat pentru a garanta un proces continuu. Un alt parametru crucial este consumul de energie, atâta timp cât aproximativ o treime din energia furnizată este necesară ca energie electrică şi aproximativ două treimi, ca energie termică (Schulz et al. 2007). Energia termică este necesară pentru a încălzi apa şi pentru a aclimatiza (căldură şi răcire) halele. Temperaturile pentru încălzirea bazinelor variază în funcţie speciile de creveţi sau de peşti. Temperaturile Ideale ale apei variază între 20 C şi 32 C. De exemplu, somnul african cu-dinţi-ascuţiţi (Clarias gariepinus) este crescut într-un proiect din Germania (LandgenossenschaftPröttlin) la 27 C. Într-un alt proiect din Germania ( creveţii tigru albi (Peneaus vanamei) sunt crescuţi la temperaturi optime de 30 C. Tabelul 5 indică temperaturi ideale ale apei pentru diferite specii. Exemple de producători de tehnologie, care sunt implicaţi în proiecte combinate biogazacvacultură sunt PAL Anlagenbau GmbH ( F & M AnlagenbauGbR ( şi International Fish Farming Technology ( Spaţiul necesar pentru acvacultura în sistem închis depinde de speciile crescute şi variază între 6 şi 10 m² per tona de producţie anuală (Schulz et al. 2007). Adesea ar putea fi utilizate hale agricole vechi existente pentru instalarea unei acvaculturi. Pentru o instalaţie tipică de 100 t/an este necesar un angajat permanent (ibid.). Angajatul ar trebui să aibă cunoştinţe o bune privind acvacultura şi despre proces. Costul tipic al investiţiei pentru un sistem închis de acvacultură cu capacitate de 100 t/an este de aproximativ un milion de Euro, însă depinde foarte mult de marimea, speciile, proces etc. (ibid.). În afară de necesarul de căldură pentru încălzirea apei şi aclimatizarea halelor, energia termică este, de asemenea, necesară pentru etapele ulterioare de prelucrare, cum ar fi pentru procesul de abatorizare. Apa caldă este necesară pentru curăţarea echipamentelor şi pentru a garanta condiţii de igienă. Căldura poate fi în plus convertită, pentru a răci peştele. 39

42 Tabelul 5 Temperaturi ale apei necesare diferitelor specii de peşti şi creveţi Denumirea speciei Denumirea ştiinţifică Temperatura [ C] Tipul Ţiparul european Anguilla anguilla Peşte de apă dulce Somnul african cudinţi-ascuţiţi Clarias gariepinus 27 Peşte de apă dulce Carida uriaşă de râu Macrobrachium rosenbergii Crevetă de apă dulce Creveta tigru neagră Penaeus monodon Crevetă de mare Creveta tigru albă Peneaus vanamei 30 Crevetă de mare Şalăul Sander lucioperca Peşte de apă dulce Calcanul Scophthalmus maximus Peşte marin Somnul Wels Silurus glanis 24 Peşte de apă dulce Tilapia Tilapia sp Peşte de apă dulce Transportul căldurii în containere În mai multe cazuri, nu poate fi posibil să se instaleze sisteme de termoficare, fie că distanţele sunt prea mari, fie că nu este posibil datorită condiţiilor-cadru juridice ori de altă natură. În aceste cazuri, poate fi luat în considerare transportul de căldură prin intermediul sistemelor de stocare în containere. Totuşi, trebuie menţionat faptul că această tehnologie nu este încă aplicată pe scară largă. Doar puţini producători oferă în prezent sisteme de stocare de căldură în containere. Ideea este să se stocheze căldura instalaţiei de biogaz în containere mobile, de obicei, în containere standardizate neizolate de 20 picioare (6,10 m x 2,44 m). Containerele nu trebuie să fie izolate atâta timp cât energia este stocată chimic şi nu prin temperaturi crescute ca în alte sisteme de stocare. Odata ce containerul este încărcat, acesta poate fi transportat cu camioane la consumatorul de căldură. Distanţele de transport ar putea fi între 1 şi 30 km pentru o instalaţie de biogaz de 500 kw el (Gaderer 2007). Potrivit lui Kralemann (2007) distanţa nu ar trebui să fie mai mare de 20 km, dacă sarcina activă maximă de funcţionre este de 4000 ore. Provocarea este tehnologia de stocare din interiorul containerului. Există două tehnologii principale pentru stocare de căldură: Sisteme de stocare prin căldură latentă Sisteme de stocare termodinamică În sistemele de stocare prin căldură latentă, căldura este stocată prin folosirea căldurii de topire a unei substanţe care se numeşte material cu schimbare faza (PCM). În timpul fazei de încărcare, PCM îşi schimbă faza de la solid la lichid în timp ce temperatura nu este mărită (schimbare izotermă de fază). În cazul în care procesul este inversat, căldura poate fi din nou folosită. Valorile disponibilă şi dorită ale temperaturii influenţează selectarea PCM, care se caracterizează prin temperatura sa de topire.

43 În sistemele de stocare prin căldură latentă pentru instalaţiile de biogaz, PCM poate fi, de exemplu, acetatul de sodiu dizolvat (trihidrat), care este o sare nepericuloasă. Acetatul de sodiu dizolvat are un punct de topire de 58 C. Ciclul de încălzire sau de încărcare este separat de PCM, astfel încât energia termică trebuie să fie transferată în interiorul materialului de stocare. Pentru procesul de încărcare trebuie să fie disponibilă o diferenţă de temperatură de cel puţin 10 C, astfel sunt necesare 68 C la sursa de căldură pentru stocarea de căldură în sistemele cu acetat de sodiu dizolvat. Temperatura de topire scăzută permite utilizarea acestui sistem doar pentru aplicaţii care au nevoie de temperaturi scăzute în jur de 48 C. Prin urmare, cererile pentru acest sistem sunt limitate. Un container de 20 picioare şi aproximativ 26 t are o capacitate de stocare de căldură de aproximativ 2,5 MWh, care este echivalentul a aproximativ 250 l de ulei de încălzire (Schulz et al. 2007). Capacitatea de încărcare este de aproximativ 250 kw la temperaturi de 70/90 C iar timpul de încărcare aproximativ 10 ore (ibid.). Capacitatea de consum este de aproximativ 125 kw la temperaturi de 48/38 C iar timpul de consumare de aproximativ 20 ore (ibid.). Un alt PCM potrivit este hidroxidul de bariu dizolvat (octahydrat), cu un punct de topire de 78 C. Datorită caracteristicilor sale periculoase, sunt necesare cerinţe speciale de siguranţă. Furnizorii de tehnologie includ în prezent companiile LaTherm ( (Figura 31) sau Transheat ( Transheat oferă un container (Figura 29, Figura 30), în care căldura este transferată de către un schimbător de căldură la un ulei termic. Acest ulei este pompat în rezervor unde este amestecat cu acetatul de sodiu, astfel transferând căldura şi stocând căldura prin topirea sării. Figura 29 Schema unui sistem de stocare prin căldură latentă (adaptat dintransheat GmbH) 41

44 Figura 30 Vagon de cale ferată cu sistem de stocare prin căldură latentă (Sursa: TransHeat GmbH) Figura 31 Trailer cu un container şi un sistem de stocare prin căldură latentă (Sursa: LaTherm GmbH) Figura 32 Rezervor pentru căldură plasat pe o platformă mobilă la o fabrică de incinerare a deșeurilor (Augsburg, Germania) (Sursa: Rutz) Figura 33 Stație de încărcare a aunui recipient de stocare de căldură (Augsburg, Germania) (Sursa: Rutz) În sistemele de stocare termodinamică (cu stocare termică sorptivă) sunt utilizaţi zeoliţi. Zeoliţii sunt minerale microporoase din alumino-silicaţi frecvent utilizate ca adsorbanţi comerciali. Datorită structurii lor poroase, zeoliţii au o suprafata foarte mare de adsorbţie. Un gram de peleţi de zeolit are o suprafaţă de până la 1000 m² (Fraunhofer 2012). Atunci când vaporii de apă trec prin materialul zeolit, vaporii sunt adsorbiţi iar căldura lor este eliberată. Prin urmare, aceste sisteme nu sunt potrivite numai pentru stocare de căldură, dar şi în acelaşi timp, pentru uscare. Sistemul este re-încărcat cu aer uscat şi cald. Potrivit Fraunhofer (2012), sistemul poate stoca de trei până la patru ori cantitatea de caldură care poate fi stocate de către apă. Prin urmare, este nevoie de containere de stocare doar de aproximativ un sfert din dimensiunea containerelor cu apă. În plus, căldura poate fi stocată pentru o perioadă mare de timp. Pierderile de energie apar doar în procesele de încărcare şi descărcare a containerului, dar nu şi în timpul duratei de stocare în sine, ca atunci când energia este legată chimic. Cu toate acestea, acest sistem nu este încă disponibil în comerţ. Cercetatorii de la Institutul Fraunhofer, Germania, dezvoltă în prezent aplicaţii pe la scară demonstrativă, cu un volum de stocare de 750 l. În general, trebuie să se ia considerare că trebuie să fie implementat un sistem logistic sofisticat pentru o aprovizionare continuă cu energie termică. Trebuie să fie disponibile suficiente containere de stocare şi trebuie să fie luaţi în considerare timpii de încărcare şi descărcare. Numărul minim de containere poate fi calculat prin următoarea formulă (Schulz et al 2007.): 42

45 Ecuaţia 7 N n L n C Numărul total minim de containere Numărul minim de containere la locul de încărcare Numărul minim de containere la consumator Capacitatea (Puterea) termică totală necesară [kw] Capacitatea (Puterea) de încărcare a unui container [kw] Capacitatea (Puterea) de consum a unui container [kw] Durata de încărcare este de obicei mai mare decât durata de descărcare pentru consumul de căldură. În plus, este important să se asigure accesul rutier bun, care să permită transportul de containere de 26 t, precum şi spatiu destul la punctele de conexiune. Poate fi luată în considerare şi implicarea unei companii externe de logistică. După cum sa menţionat deja, sistemele de transport al căldurii în containere nu sunt încă implementate la scară mare. Pentru realizarea noilor proiecte trebuie să fie luaţi în considerare următorii factori: Aplicaţia este recomandată doar în cazul în care nu pot fi aplicate alte soluţii pentru utilizarea directă de căldură (instalarea de conducte de căldură sau gaze) Distanţa maximă de transport de 30 km Risc general datorită lipsei de experienţă pe termen lung cu aceste sisteme Capacitate termică minimă necesară de 250 kw Cerere minimă de energie termică de 125 kw Depinzând de tipul de sistem, pot fi oferite doar valori mici ale temperaturii (de ex. 48 sau 78 C) Sunt necesare drumuri de acces corespunzătoare şi spaţiu suficient pentru containere Trebuie evitate conflictele cu vecinii datorită traficului crescut Numărul de cicluri de încărcare este teoretic nelimitat, însă nu există experienţă pe termen lung Încălzirea pentru alte scopuri Există multe alte posibilităţi pentru utilizarea energiei termice în mod direct sau indirect, ca instalaţii de răcire sau uscare. Exemplele includ: Producţia de medicamente: încălzire pentru procesele de uscare şi extracţie din plante Spălătorii: apă caldă pentru spălarea textilelor Industria laptelui: încălzirea şi răcirea produselor lactate Producţia de micro-alge: încălzirea şi răcirea reactoarelor şi fertilizarea cu CO 2 Industria agro-alimentară: apă caldă şi abur pentru procesare, curăţare şi igienizare Managementul deşeurilor: igienizarea materiei prime din deşeuri 43

46 3.2 Uscarea Pe lângă utilizarea directă a căldurii pentru creşterea valorilor temperaturii pentru diferite scopuri, căldura reziduală de la instalaţiile de biogaz mai poate fi utilizată şi pentru uscarea mai multor materiale. Cele mai importante pentru instalaţiile de biogaz sunt uscarea digestatului, a nămolurilor de epurare, a biomasei solide (surcelelor şi rumeguşului de lemn, butucilor de foc) şi a produselor agricole. Procesul de uscare a materialelor este, în general influenţat de următoarele caracteristici: Temperatura Cantitatea de căldură Umiditatea aerului Conţinutul de apă şi umiditatea materialului Durata procesului Viteza de ventilare Tipul şi forma materialului Temperatura aplicată depinde de materialul care trebuie să fie uscat şi scopul pentru care trebuie să fie utilizat materialul. Produsele lemnoase pot fi uscate la temperaturi mai ridicate, în timp ce produsele alimentare se usucă la temperaturi mai mici, iar seminţele (care trebuie să fie capabile să germineze din nou), la cele mai mici temperaturi. În afară de temperatură, de asemenea, umiditatea aerului este un factor important care influenţează procesul de uscare. Odată cu creşterea temperaturii şi conţinutul maxim de vapori din aer poate fi mai mare. Atunci când umiditatea relativă este de 100%, aerul este saturat cu apă. Pentru a estima şi proiecta procesele de uscare, de multe ori sunt utilizate diagrame h-x (Figura 34). Ele arată conţinutul absolut de apă în aerul umed (x), umiditatea relativă (%), temperatura ( C) şi entalpia (h). Cu aceste diagrame poate fi estimată cantitatea maximă de apă pe care aerul o poate prelua de la materialul uscat. În exemplul (adaptat din Kirchmeyr & Anzengruber 2008) din Figura 34, se arată grosier cât de multă apă suplimentară (vapori) poate fi preluată, daca temperatura este de 20 C, iar umiditatea relativă a aerului de intrare este de 10%. Este vorba despre 0,0094 kg apă per kg de aer (0,0144 kg/kg minus 0,005 kg/kg). Pentru a obţine valori exacte, trebuie să fie utilizate instrumente de calcul. Diagrama arată de asemenea, că nivelul umidităţii aerului în aerul de intrare devine din ce în ce mai puţin important şi chiar neglijabil pentru procesul de uscare, cu cât cresc valorile temperaturii. 44

47 Figura 34 Diagrama h-x Mollier (la 1013 mbari) (Sursa: adaptată din Grundfos 2012) Tabelul 6 Conţinutul de apă al aerului la diferite valori ale temperaturii (Kirchmeyr&Anzengruber 2008) Cc Temperatura în C Cantitatea maximă de apă reţinută de aer la 35% umiditate relativă [g/kg] Cantitatea maximă de apă reţinută de aer la 100% umiditate relativă [g/kg] Cantitatea de apă suplimentară preluată de aer [g/kg] Conţinutul de apă şi umiditatea biomasei (lemn, plante ierbacee) sunt doi determinanţi importanţi care caracterizează apa conţinută în material. Ele pot fi calculate prin ecuaţiile, de la Ecuaţia 8 la Ecuaţia

48 Ecuaţia 8 Ecuaţia 9 Ecuaţia 10 Ecuaţia 11 Ecuaţia 12 m w m m m d Masa de apă în material [kg] Masa de umezeală în material [kg] Masa materialului uscat [kg] w Conţinulul de apă [%] u Umiditatea materialului [%] Hu w Puterea calorifică [MJ/kg] a materialului la conţinutul de apă w Hu a Puterea calorifică [MJ/kg] a materialului uscat în stare anhidră 2,44 Energia de vaporizare a apei la 25 C [MJ/kg] Conţinutul de apă w şi umiditatea u sunt legate una de cealaltă şi pot fi uşor convertite (Ecuaţia 11). Astfel, conţinutul de apă de 50% este echivalent cu o umiditate de 100%. Umiditatea poate fi mai mare de 100%. Conţinutul tipic de apă la lemnului crud este de aproximativ 45-60%. Un alt factor important în procesul de uscare este timpul necesar pentru uscarea materialului, precum şi calendarul sezonier al materialului uscat. Calendarul sezonier al unor materiale este prezentat în Tabelul 7. Acest tabel include, de asemenea, temperaturile maxime de uscare. Figura 35 Căldura de la o stație de biogaz din Germania (în fundal) este utilizată la o stație de prefabricate din beton (în prim plan) (Sursa; Rutz) Figura 36 Elemente prefabricate din beton (în prim plan) sunt extrase din camera de uscare (în fundal) (Sursa: Rutz) 46

49 Tabelul 7 Duratele şi temperaturile de uscare pentru diferite materiale Material Sezonul de uscare Temperaturi maxime de uscare [ C] Surcele şi butuci de foc de la silvicultură Surcele şi butuci de foc de la întreţinerea peisajului Surcele de lemn de la plantaţiile cu rotaţie scurtă Iarna Întregul an Iarna Cereale Iulie August Plante medicinale şi plante aromatice Digestat şi nămoluri de epurare Iunie Octombrie Întregul an Există mai multe tehnologii de uscare diferite. Tehnologii adecvate pentru temperaturi relativ scazute ale căldurii reziduale de la instalaţiile de biogaz includ uscătoare tip şarjă (prin trecere), uscatoare tip bandă rulantă, uscătoare cu mecanism mobil cu zbaturi (Tabelul 8). Tabelul 8 Tehnologii de uscare şi principalele lor caracteristici Tipul de uscător Uscătoare tip şarjă Uscatoare tip bandă rulantă Uscatoare cu mecanism mobil cu zbaturi Uscatoare cu tambur Materiale pentru uscare Cereale, porumb, seminţe şi alte materiale în vrac Mărfuri în vrac, cum ar fi digestatul (separat), surcele de lemn, cereale, porumb, siloz de porumb Plante oleaginoase, plante ierboase, iarbă, pelete, granule, surcele de lemn, sâmburi Materiale în vrac din agricultură şi de la întreţinerea Caracteristici Aerul cald trece prin material în buncăre orizontale sau verticale, fie în silozuri fixe, fie mobile tip auto-camion sau în containere. Este unul dintre cele mai simple uscătoare deoarece materialul nu este mişcat activ. Este, de asemenea, foarte ieftin şi potrivit pentru capacităţi mici: pentru ferme cu până la 100 ha cultivate cu cereale sau pentru disponibilitatea de căldură de până la 500 kw term. Aerul cald usucă materialul, care inaintează încet pe o bandă rulantă. Din cauza costurilor ridicate de investiţii, această tehnologie este, în general, potrivită pentru disponibilitatea de energie termică mai mare de 500 kw term. Aerul cald este suflat prin produs, printr-un fund dublu (fund tip grătar). Dispozitive rotative, cum sunt zbaturile, amestecă şi împing produsul. Materialul trece printr-un tambur orizontal. Deoarece sunt necesare temperaturi ridicate (1000 C), acest uscător nu se aplică pentru instalaţiile de biogaz. 47

50 peisajului Tabelul 9 Suitabilitatea diverselor tehnologii de uscare în funcție de materia pirmă Peleți Cereale Iarbă Uscătoare cu încărcare Uscătoare cu bandă rulantă Uscătoare cu încărcare și rotație Uscătoare cu tambur Uscătoare în flux continuu Figura 37 Exemple de uscătoare simple pentru peleți, plasate direct pe remorcă (Sursa: Rutz) Figura 38 Construcție proprie a unui uscător cu încărcare, cu ajutorul unei conducte perforate (Sursa: Rutz) Figura 39 Construcție proprie a unui uscător cu încărcare, cu ajutorul unei platforme duble (Sursa: Rutz) 48

51 Figura 40 Uscător cu tambur,pentru iarbă, Germania (Sursa: Rutz) Figura 41 Uscător cu bandă rulantă pentru uscarea digestatului, ăn curs de revizie (Sursa: Rutz) Figura 42 Uscător cu rotație ăn Germania (Sursa: Rutz) Figura 43 Tujele de amestecare ale unui uscător (Sursa: Rutz) Digestatul şi nămolul de epurare Digestatul reprezintă resturile de la instalaţia de digestie anaerobă iar nămolul de epurare, de la staţiile de epurarea apelor uzate. În funcţie de compoziţia şi de caracteristicile lor, ele pot fi folosite fără nici un tratament ulterior, de ex. ca îngrăşământ. Depozitarea, transportul, manipularea şi aplicarea digestatului conduce la costuri semnificative, comparativ cu valoarea sa ca îngrăşământ; acest lucru se datorează volumului mare şi unui conţinut scăzut de substanţă uscată. Astfel de costuri pentru digestat cresc semnificativ în ţările cu zone de producţie animalieră intensivă, cum ar fi Danemarca, Germania, Italia şi Franţa, unde reglementările naţionale de mediu severe, limitează cantitatea de nutrienţi care urmează să fie aplicată pe unitatea de teren agricol (Al Seadi et al. 2013). Aceste reglementări fac necesare transportul şi redistribuirea nutrienţilor departe de zonele agricole cu utilizare intensivă. Cu scopul de a reduce costurile de transport, digestatul trebuie să fie prelucrat ulterior. Prima etapă într-un sistem de procesare a digestatului este separarea solid-lichid, care separă digestatul lichid, într-o materie solidă cu conţinut mare de substanţă uscată şi o materie lichidă cu conţinut scăzut de substanţă uscată. Această separare este de obicei făcută mecanic, cum ar fi cu separatoare tip presă cu şurub sau cu centrifuge de decantare. Faza uscată a digestatului poate fi mai departe compostată sau uscată. Uscarea digestatului se poate face cu uscătoare solare, tip sere, sau cu căldura reziduală de la instalaţii de biogaz. Cele două sisteme pot fi de asemenea combinate (uscare hibridă). Întrun uscător cu bandă rulantă (Figura 41) digestatul este continuu şi uniform transportat printr-o cameră de alimentare, pe o bandă rulantă perforată. Banda rulantă poartă produsul prin zona de uscare. În aceste celule aerul cald sau gazele de evacuare terec prin sau peste digestatul 49

52 umed şi îl usucă. Materialul uscat poate fi utilizat în sectoarele horticole şi de grădinărit, fie direct, fie sub formă de peleţi. Materialul poate fi utilizat, de asemenea, în pepiniere sau în sisteme de cultivare speciale, cum ar fi pentru producţia de ciuperci. Situaţia locală şi pieţele influenţează comercializabilitatea compostului sau a digestatului uscat. În plus, trebuie să fie luate în considerare standardele de calitate şi legislaţia privind îngrăşămintele şi produsele compostate. În special pentru instalaţiile de biogaz de tratare a deşeurilor, concentraţiile de metale grele pot reprezenta o barieră pentru vânzarea de produse din digestat. Acest lucru poate influenţa oportunităţile dacă produsele să fie utilizate pe terenuri agricole pentru producţia de alimente, sau să fie aplicate pe terenuri pentru producţie non-alimentară, cum ar fi grădinile, parcurile, etc. Aceste condiţii-cadru locale afectează veniturile operatorului instalaţiei. Tratamentul ulterior este adesea o cerinţă obligatorie pentru utilizarea nămolurilor de epurare, aşa cum, mai multe reglementări (cum ar fi cele germane), nu permit să fie aruncate la rampele de gunoi nămolurile de epurare, fără nici-un tratament prealabil. De aceea, se cere fie aplicarea direct ca îngrăşământ (care este, de asemenea, reglementată, din cauza contaminării), fie uscare cu incinerarea adiacentă. Metodele de uscare sunt, în general, aceleaşi ca cele pentru uscarea digestatului. Nămolurile de epurare uscate pot fi arse în instalaţiile de incinerare. În general, necesarul de căldură pentru uscarea nămolului de epurare sau a digestatului este continuu cu variaţii mici sezoniere din cauza scaderii temperaturilor ambientale. Cu toate acestea, în cazul în care sistemele sunt suficient de mari, materialul poate fi uscat în funcţie de disponibilitatea de căldură. Această metodă este o modalitate eficientă de a folosi cantitati mari de caldură reziduală. Utilizarea de căldură pentru uscarea digestatului şi pentru peletizarea adiacentă, este în prezent în discuţie pentru mai multe concepte ale biogazului. Peleţii de digestat pot fi folosiţi pentru producerea de energie electrică într-o instalaţie de incinerare mai mare. Însă, această procedură contrazice ideea de a crea circuite închise ale nutrienţilor şi de a înlocui îngrăşămintele artificiale cu cele organice. Prin urmare, această abordare nu este recomandată de către autori. Figura 44 Uscător cu bandă rulantă pentru uscarea digestatului în faţa unei instalaţii de biogaz (Sursa: STELA Laxhuber GmbH) Butuci de foc, surcele şi pelete Cererea de biomasă solidă şi mai ales de produse din lemn este în continuă creştere ca urmare a creşterii sale pentru utilizări în scopuri de încălzire. Lemnul care este abia tăiat conţine cantităţi mari de apă de 50-65%. Această apă este legată chimic si fizic în lemn. În funcţie de utilizarea finală, lemnul trebuie să îndeplinească de multe ori anumite standarde minime în ceea ce priveşte conţinutul său maxim de apă. În special pentru unităţile de ardere

53 mai mici, lemnul trebuie să fie uscat considerabil, datorită următoarelor motive (RUTZ et al 2006; Hiegl et al. 2011): Cu cât este mai mare conţinutul de apă, cu atât este mai puţin eficientă energetic arderea, deoarece o parte din energie este "pierdută" pentru vaporizare. Puterea calorifică inferioară este mai mare dacă lemnul este uscat. Perioada de depozitare este mai bună dacă conţinutul de apă al lemnului este mai mic de 25%, deoarece condiţiile de viaţă pentru microorganisme (bacterii şi ciuperci) sunt mai improprii în condiţii de uscăciune. Dezvoltarea microorganismelor duce la o pierdere de material, care reduce conţinutul de energie. Eliberarea de spori de ciuperci (din surcelele de lemn) poate duce la riscuri de îmbolnăvire. Prelucrarea ulterioară a unor produse necesită conţinuturi minime de umiditate. De exemplu, rumeguşul de lemn crud are nevoie de uscare înainte de a putea fi peletizat. Beneficii logistice pentru transportul pe distanţe mari, deoarece greutatea şi volumul sunt reduse. Relaţia dintre puterea calorifică a lemnului raportată la conţinutul de apă este prezentată în Figura 45. Cu cât este mai mare conţinutul de apă, cu atât este mai mică puterea calorifică. Figura 45 Puterea calorifică a lemnului raportată la conţinutul de apă (Sursa: FNR 2012) Diferite metode pot fi aplicate pentru uscarea lemnului. Cea mai simplă metodă de uscare este depozitarea lemnului în exterior 1-3 ani, în funcţie de grosimea şi de tipul de lemn. Cu toate acestea, ca urmare a cererii crescute de lemn şi de noi practici de producţie (culturi lemnoase cu rotaţie scurtă), timpul devine un factor limitant iar costurile pentru depozitarea pe termen lung devin un factor important. De aceea, uscarea artificială devine din ce în ce mai insemnată. Butucii pentru foc pot fi obţinuţi de la exploatările forestiere, plantaţii forestiere dedicate, sau de la măsuri de întreţinere peisagistică. Conţinutul de apă al butucilor pentru foc ar trebui să fie redus la valori mai mici de 20%. Standardele europene clasifică butucii pentru foc în 4 categorii de umiditate (M20, M30, M40, M65), unde numerele reprezintă limita maximă a 51

54 conţinutului de apă. Uscarea artificială solicită costuri considerabil reduse pentru uscare. Lemnul de la exploatările forestiere şi de la plantaţiile dedicate este de obicei recoltat în timpul iernii atunci când conţinutul de apă din lemn este în mod normal scăzut şi când solul este îngheţat, cu scopul de a reduce prejudiciile solului. Prin urmare, cererea de căldură reziduală pentru uscarea butucilor este, în general, mai mare în timpul iernii. În timpul iernii, însă, căldura reziduală de la instalaţiile de biogaz este, în general, mai mică. De aceea, ca alternativă, lemnul recoltat poate fi depozitat şi uscat doar atunci când există excedent disponibil de căldură, adesea în timpul verii. Lemnul pentru foc de la întreţinerea peisajului este recoltat întregul an. Prin urmare, este creată o cerere continuă de uscare pentru lemnul de la întreţinerea peisajului. Lemnul care se recoltează în timpul verii este foarte umed. Lemnul pentru foc este de obicei uscat într-o cameră de uscare (uscator tip şarjă), prin care este suflat aerul cald. Surcelele de lemn pot fi obţinute de la aceleaşi sisteme de producţie ca pentru butucii pentru foc, dar necesită utilaje grele şi sunt, aşadar, de obicei, produse doar la scări mai mari decât butucii. Conţinutul de apă al surcelelor de lemn ar trebui să fie redus la valori mai mici de 20%. Standardele europene clasifică surcelele de lemn în 5 categorii de umiditate (M20, M30, M40, M55, M65). Datorită dimensiunilor mici ale particulelor, surcelele de lemn sunt sensibile la microorganisme în cazul în care conţinutul de apă este prea mare. Activităţi intense ale microorganismelor conduc la temperaturi ridicate ale materialului, care au provocat chiar şi auto-aprindere în facilităţile de depozitare a surcelelor. Surcelele de lemn sunt de obicei uscate în uscătoare tip şarjă, care pot fi containere (Figura 50) sau facilităţi de depozitare prin care este suflat aerul cald. De asemenea, pot fi folosite şi uscătoare cu mecanism mobil cu zbaturi. Figura 46 Container şi conducte de încălzire cu aer pentru uscarea surcelelor de lemn la o instalaţie de biogaz din Munchen, Germania (Sursa: Rutz) Figura 47 Container pentru uscarea surcelelor de lemn în Munchen, Germania (Sursa: Rutz) Peletele sunt obţinute prin presarea rumeguşului în pelete mici şi standardizate, care sunt potrivite pentru utilizarea în boilere, variind de la mărimea celor casnice la dimensiune industrială. Datorită densităţii lor energetice şi omogenităţii lor mari, peletele pot fi uşor comercializate şi utilizate pentru sistemele cu alimentare automată. Rumeguşul trebuie să fie uscat la valori ale conţinutului de apă sub 10%. Standardele europene clasifică peletele în 3 categorii de conţinut de apă (W10, W20, W30). Căldura reziduală de la instalaţiile de biogaz ar putea fi utilizată pentru a usca rumeguşul, deoarece cererea de energie termică este continuă pe tot parcursul anului. 52

55 Figura 48 Echimapente simple de uscare la o fabrică din Germania (Sursa: Rutz) Figura 49 Echipamente simple de uscare a lemnelor de foc la o fabrică de biogaz (Sursa: Rutz) Construcții și industria mobilei P e lângă uscarea biomasei utilizate în scop energetic, ucarea lemnului pentru construcții și mobilă poate fi o opțune pentru utilizarea căldurii din stațiile de biogaz, ăn cazul ăn care acestea se află în apropiere. uzual, astfel de sisteme de sucare sunt containere speciale. Există câșiva producători care oferă astfel de echipamente. Figura 50 Exemple de construcție a unui container de uscare pentru lemn (Sursa: Figura 51 Exemple de construcție a unui container de uscare pentru lemn (Sursa: Aceștia oferă soluții asamblate sau individuale. De exemplu, sunt oferite containere de 6 sau 12 metri. Este de semenea posibil să se integreze o cameră de uscare într-o clădire existentă. De obicei lemnul este transportat cu camionale direct în aceste camere, unde căldura este furnizată prin intermediul unor schimpătoare de căldură direct de la stația de biogaz. Un parametru important este timpul de sucare. Este influențat de tipul lemnului, grosime și conținutul inițial de apă. Pentru a obține un lemn de calitate și a minimiza ruperea și torsiunile va trebui să fie uscat lent și la temperaturi mici, dar constante. Lemnul verde poate necesita câteva săptămâni de uscare ănainte ca acesta să aibă un conținut de apă de 8-10%, ideal pentru tâmplărie. Echipamentle care montorizează temparatura și umiditatea sunt necesare în astfel de uscătorii. Lemnul poate fi uscat și pentru foc, caz ăn care se preferă uscarea rapidă la temperatură ridicată. Producătorul Woodmizer indică un necesar de căldură pentru un container de 30 KW și în plus energie electrică pentru ventilație de 1,2 KWh pentru o șarjă. 53

56 3.2.4 Produse agricole Cu scopul de a creşte perioada de depozitare a mai multor produse agricole (cereale, ierburi, mirodenii şi plante medicale, fân), acestea trebuie să fie uscate pentru a îndeplini anumite cerinţe în ceea ce priveşte conţinutul lor de apă. Conţinutul de apă al acestor produse este influenţat de sezonul de recoltare şi de condiţiile meteorologice din timpul recoltării, precum şi de condiţiile climatice generale şi destinaţia produsului. În mai multe cazuri este necesară uscarea artificială după recoltare, creând astfel oportunităţi pentru utilizarea de căldură în instalaţiile de biogaz. Cererea de căldură pentru uscarea acestor produse este sezonieră şi, de obicei, se aplică în principal în timpul verii. În timpul verii, de multe ori există un surplus de căldură de la instalaţiile de biogaz, care ar putea fi în mod ideal, folosită pentru procesele de uscare. Printre aplicaţiile cele mai frecvente de uscare în agricultură este uscarea cerealelor, mai ales in anotimpurile cu perioade lungi de ploaie. Conţinutul maxim de umiditate pentru o bună depozitare a cerealelor este de 14,5%. Din cauza limitărilor în ceea ce priveşte facilităţile de uscare, cerealele sunt adesea depozitate la 7 C până când acestea sunt uscate. După depozitarea cerealelor, umiditatea este de obicei crescută din nou până la aproximativ 16-17%, cu scopul de a facilita măcinatul. Cu scopul de a menţine nutrienţii sau capacitatea de germinare a seminţelor, temperaturile de uscare nu trebuie să fie mai mari decât cele indicate în Tabelul 10. Astfel, temperaturile maxime scad odată cu umiditatea. Tehnologiile de uscare pentru cereale includ, de obicei, uscătoare tip şarjă şi uscătoare cu mecanism mobil cu zbaturi. Tabelul 10 Temperaturi maxime (în C) pentru încălzirea cerealelor (Strehler 1993 in Karalus 2007) Umiditate[%] Grâu [ C] Secară, ovăz, orz [ C] Material săditor, orz de bere [ C] Chiar mai sensibile la temperaturi decât cerealele sunt plantele medicinale, ierburile, şi mirodeniile, care sunt de obicei uscate într-un uscător tip bandă rulantă. Aceste produse sunt de obicei uscate la valori de umiditate de sub 9%. Exemple de astfel de plante sunt menta, muşeţelul, mărarul, pătrunjelul, arpagicul şi cimbrul Răcirea Căldura reziduală de la instalaţiile de biogaz poate fi, de asemenea, folosită pentru a genera capacitate de răcire. Există două principii de bază ale instalaţiilor frigorifice, şi anume prin absorbţie şi prin comprimare de vapori Generalităţi despre instalaţiile frigorifice Instalaţiile frigorifice cu compresie de vapori sunt cele mai utilizate instalaţii pe scară largă pentru condiţionarea aerului, precum şi pentru răcire în frigidere casnice şi comerciale. Nucleul acestui sistem este compresorul, care funcţionează cu energie electrică.

57 Spre deosebire de funcţionarea în principal cu energie electrică a instalaţiilor frigorifice cu compresie de vapori, instalaţiile frigorifice cu absorbţie utilizează în principal o sursă de căldură ca principală energie pentru procesul de răcire. Instalaţiile frigorifice cu absorbţie sunt o alternativă la instalaţiile frigorifice obişnuite cu compresor, acolo unde energia electrică este nesigură, costisitoare, sau indisponibilă, în cazul în care zgomotul de la compresor este problematic, sau acolo unde este disponibil un surplus de energie termică aşa cum este cazul instalaţiilor de biogaz. În general, instalaţiile frigorifice cu absorbţie sunt caracterizate de următoarele avantaje principale, în comparaţie cu instalaţiile frigorifice cu compresie de vapori (Skagestad & Mildenstein - nedatat): Cerinţe electrice mai mici pentru funcţionarea instalaţiei frigorifice Niveluri ale zgomotelor şi vibraţiilor mai mici în timpul funcţionării Capacitatea de a utiliza căldură recuperată şi de a o converti în energie de răcire Soluţiile de agent frigorific de obicei, nu reprezintă o ameninţare la epuizarea stratului de ozon al atmosferei. Atât instalaţiile frigorifice cu absorbţie, cât şi cele cu compresor utilizează un lichid frigorific, de obicei, cu un punct de fierbere foarte scăzut (adesea mai mic decât -18 C). Pentru ambele tipuri, căldura este extrasă dintr-un sistem şi astfel creând efectul de răcire atunci când lichidul frigorific se evaporă. Principala diferenţă dintre cele două sisteme este modul în care este trecut agentul frigorific de la faza gazoasă, din nou în cea lichidă, astfel încât ciclul să se poată repeta. Instalaţia frigorifică cu comprimare trece gazul din nou în lichid, prin creşterea presiunii cu ajutorul unui compresor (acţionat electric). O instalaţie frigorifică cu absorbţie trece gazul înapoi în lichid prin absorbţia agentului frigorific într-un alt lichid şi, prin desorbţie adiacentă cu ajutorul căldurii. Cealaltă diferenţă între cele două tipuri este agentul frigorific utilizat. Instalaţiile frigorifice cu compresor de obicei folosesc hidroclorofluorocarburi (HCFC) sau hidrofluorocarburi (HFC), în timp ce instalaţiile frigorifice cu absorbţie, de obicei folosesc amoniac sau bromură de litiu (LiBr). În general, instalaţiile frigorifice cu absorbţie sunt clasificate în instalaţii cu ardere directă sau cu încălzire indirectă şi în instalaţii cu efect simplu, dublu sau triplu. Pentru utilizarea căldurii reziduale de la instalaţiile de biogaz, doar instalaţiile frigorifice cu încălzire indirectă sunt relevante, deşi teoretic şi cele cu ardere directă ar putea funcţiona, cu ardere directă de biogaz. De asemenea, pot fi combinate instalaţiile frigorifice cu absorbţie şi cu compresor (răcire în cascadă sau hibridă). Clasificarea în instalaţii frigorifice cu absorbţie cu efect simplu, dublu, sau triplu se bazează pe numărul de surse (niveluri) de încălzire. Instalaţiile frigorifice cu absorbţie cu efect simplu au un singur nivel de încălzire al fluidului de lucru (solutie slabă). Instalaţiile frigorifice cu absorbţie cu efect dublu au două etape de generare de vapori pentru separarea agentului frigorific de absorbant. De aceea, instalaţiile frigorifice cu efect dublu au două condensatoare şi două generatoare. Transferul de căldură are loc la o temperatură mai mare în comparaţie cu ciclul celor cu efect simplu. Instalaţiile frigorifice cu efect dublu sunt mult mai eficiente, dar şi mult mai scumpe (New Buildings Institute 1998). Instalaţiile frigorifice cu absorbţie cu efect triplu sunt chiar mai avansate în comparaţie cu instalaţiile frigorifice cu efect dublu. Instalaţiile frigorifice cu absorbţie cu efect triplu sunt în curs de dezvoltare, ca urmatorul pas in evoluţia tehnologiei de absorbţie (New Buildings Institute 1998). Utilizarea de instalaţii frigorifice cu absorbţie depinde de temperatura căldurii reziduale, agentul frigorific utilizat şi de mediu de transport, precum şi de temperatura de răcire dorită. Instalaţiile frigorifice cu absorbţie cu LiBr/H 2 O sunt capabile să se răcească până la 6 C iar cele cu NH 3 /H 2 O de la 0 C până la -60 C. Cu scopul de a compara instalaţiile frigorifice, este utilizat raportul de eficienţă energetică (EER), care este similar cu coeficientul de performanţă (COP) al pompelor de căldură. Acesta este raportul dintre puterea de răcire generată ( ) şi puterea termică consumată ( ). Astfel, puterea pompei (P p ) este negligiblă. EER al sistemelor reale de refrigerare cu absorbţie este, de obicei, mai mic de 1. Vaorile tipice ale EER pentru instalaţiile frigorifice disponibile în 55

58 comerţ variază între 0,65 şi 0,8 pentru unităţile cu efect simplu şi de la 0,9 la 1,2 pentru unităţile cu efect dublu (Skagestad & Mildenstein - nedatat). Putere de rãcire Putere intratã Q Q P C C EER Ecuaţia 13 H P Q Q H EER Raport de eficienţă energetică Putere de răcire generată [kw] P P Putere termică intrată [kw] Puterea pompei [kw] Figura 52 Procesul unei instalaţii frigorifice cu absorbţie tipice cu agent frigorific amoniac-apă Procesul general al unei instalaţii frigorifice cu absorbţie cu amoniac-apă tipice este prezentat în Figura 52. În acest proces, amoniacul (NH 3 ), serveşte ca agent frigorific iar apa (H 2 O), ca mediu de transport (absorbant). În vaporizator amoniacul pur ca agent frigorific în stare lichidă produce efectul de răcire. Acesta absoarbe caldura de la substanţa care urmează să fie răcită şi se evaporă. De aici, vaporii de amoniac sunt pompaţi la absorber. În absorber există deja o soluţie diluată de amoniac-apă. Apa, utilizată ca mediu de transport în soluţie, este nesaturată şi are capacitatea de a absorbi mai mult gaz de amoniac. Pe măsură ce amoniacul de la vaporizator intră în absorber, acesta este uşor absorbit de apă şi se formează o soluţie concentrată de amoniac-apă. În timpul procesului de absorbţie, este eliberată căldură, care poate reduce capacitatea de absorbţie de amoniac a apei, prin urmare, absorberul este răcit cu apă de răcire. Datorită absorbţiei de amoniac, se formează în absorber o soluţie concentrată de amoniac-apă. Această soluţie este pompată de o pompă cu presiune mare la generator, în care este încălzită de către căldura reziduală de la instalaţia 56

59 de biogaz iar amoniacul este vaporizat. Vaporii de amoniac părăsesc generatorul, însă o parte din particulele de apă sunt transportate odată cu agentul frigorific amoniac, datorită afinităţii puternice a apei pentru amoniac. Prin urmare, acesta este trecut prin separator, similar cu o coloană de distilare. Apa trece înapoi prin regenerator şi supapa de expansiune, la generator. Soluţia diluată de amoniac-apă merge înapoi de la generator la absorber. Vaporii de amoniac pur intră în condensator la presiune mai mare unde aceştia sunt răciţi de către apă. Acest lucru îi schimbă faza în stare lichidă şi apoi trece prin supapa de expansiune unde temperatura şi presiunea lui scad brusc. Amoniacul intră în cele din urmă din nou în vaporizator, unde produce efectul de răcire. Astfel ciclul este închis. Figura 53 Răcitor cu aer utilizând căldura de la o stație de incinerare din Austria (Sursa: Rutz) Răcirea centralizată Răcirea centralizată este similară cu termoficarea, dar distribuie apă răcită în loc de căldură. Deşi cererea de răcire este în continuă creştere, ca urmare a standardelor de confort din ce în ce mai mari şi a temperaturilor mai mari legate de schimbările climatice, răcirea centralizată nu este la fel de pusă în practică ca şi termoficarea. Mai multe oraşe europene au introdus sisteme de răcire centralizată, cu scopul de a reduce emisiile de gaze cu efect de seră (Figura 53). 57

60 Figura 54 Reduceri anuale ale emisiilor de CO 2 în oraşele europene selectate, datorate răcirii centralizate (Sursa: Euroheat&Power) Sursa de răcire poate fi de la instalaţii frigorifice cu absorbţie, instalaţii cu compresie de vapori, sau alte surse cum ar fi răcirea din mediul ambiant, sau din lacuri adânci, râuri, acvifere şi oceane. Diferite sisteme de răcire pot fi, de asemenea, combinate. Un avantaj general al utilizării căldurii reziduale de la instalaţii de biogaz pentru funcţionarea instalaţiilor frigorifice cu absorbţie este marea disponibilitate sezonieră de căldură din timpul verii, asociată cu o cerere mare pentru răcire în timpul verii. În funcţie de contractele cu consumatorii, apa răcită poate fi furnizată atât pentru o cerere bazală cât şi de vârf. Din cauza costurilor ridicate de investiţii ale instalaţiilor frigorifice cu absorbţie, în timpul vârfului de cerere pot funcţiona suplimentar şi instalaţii frigorifice cu compresie de vapori, cu scopul de a garanta alimentarea de vârf. Proiectarea sistemului de răcire centralizată este guvernată de următorii factori-cheie: 58 Diferenţa de temperatură dintre conduclte, de alimentare şi de retur Viteza de curgere Presiunea în reţea şi diferenţa de presiune dintre conduclte, de alimentare şi de retur. Implementarea cu succes a sistemelor de încălzire şi răcire centralizată depinde în mare măsură de capacitatea sistemului de a obţine diferenţe mari de temperatură (ΔT) dintre apa din tur şi cea din retur (Skagestad & Mildenstei - nedatat). ΔT este de obicei limitată la 8-11 C. Sistemele de obicei îşi reglează temperatura apei răcite furnizate, în funcţie de temperatura mediului ambiant exterior. Sistemele de răcire centralizată pot fi împărţite în trei grupe, în funcţie de temperaturile furnizate (ibid.): Temperaturi convenţionale ale apei răcite: 4 C la 7 C Sisteme cu apă cu gheaţă: +1 C Sisteme cu suspensie de gheaţă: -1 C

61 Datorită gradienţilor mici de temperatură dintre reţeaua de conducte şi solul din jurul lor, nu este necesară izolarea conductelor. Conductele subterane de răcire ale reţelei de distribuţie sunt, de obicei, îngropate la adâncimi de aproximativ 60 cm. Într-un climat foarte cald şi pentru conducte supraterane, este necesară izolarea. Vitezele de curgere maxime admise sunt dictate de constrângeri de căderi de presiune şi de perturbaţii critice ale sistemului cauzate de fenomenele tranzitorii. În general, ar trebui să fie evitate viteze mai mari de 2,5-3,0 m/s, cu excepţia cazului în care sistemul este special conceput şi protejat pentru a permite viteze de curgere mai mari (ibid.) Aplicaţii ale răcirii Pentru constuirea de sisteme de răcire centralizată mai mari, căldura reziduală de la instalaţiile de biogaz este de obicei prea mică. Cu toate acestea, apa răcită cu ajutorul căldurii reziduale de la biogaz ar putea fi integrată în sistemele existente de răcire. Pot fi construite pe o scară mult mai mică pentru utilizarea căldurii reziduale de la instalaţiile de biogaz, sisteme de răcire centralizată special destinate (micro-sisteme de racire centralizată), care conectează doar unul sau câţiva consumatori. Astfel, avantajul este că cea mai mare cantitate de căldură reziduală de la instalaţiile de biogaz este disponibilă în timpul verii atunci când există, de asemenea, o cerere mare de răcire. Cu toate acestea, răcirea cu ajutorul căldurii reziduale de la instalaţiile de biogaz este în continuare o aplicaţie de nişă şi nu este implementată la scară mare. Exemple de răcire cu ajutorul căldurii reziduale de la biogaz includ: Climatizarea cladirilor publice şi private Climatizarea construcţiilor pentru depozitarea alimentelor: cereale, legume, fructe, carne Climatizarea adăposturilor pentru animale: creşterea porcilor Climatizarea încăperilor pentru servere pentru procesarea datelor Industria peştelui: răcirea halelor de depozitare şi fabricarea gheţii Industria laptelui: răcirea laptelui la nivelul fermei; răcirea pentru prelucrarea industrială a laptelui şi produselor lactate Mica industrie: răcirea de proces a uneltelor pentru prelucrarea polimerilor O aplicatie specială a răcirii este producerea de gheata. Astfel, depozitarea gheţii poate acţiona pentru a echilibra temporar furnizarea cu cererea de energie termică. În plus, similar transportului de căldură în containere, gheata poate fi, de asemenea, uşor de transportat la consumatori, reducând astfel necesarul de conducte pentru sistemele de răcire. Însă, acest lucru nu este foarte comun pentru conceptele căldurii reziduale de la instalaţiile de biogaz. 3.4 Producţia suplimentară de electricitate Aşa cum a fost descris deja în capitolele anterioare, energia electrică este un tip de energie de calitate foarte înaltă, deoarece aceasta poate fi uşor transformată în alte forme de energie. Căldura reziduală de la instalaţiile de biogaz, cu temperaturi cuprinse între 80 C şi 550 C este mult mai puţin valoroasă, deoarece este mult mai dificil să fie convertită în alte forme de energie. Totuşi, există soluţii tehnice pentru a converti căldura reziduală în energie electrică suplimentară în cicluri termodinamice şi, prin urmare, să se obţină venituri din preţurile mari ale energiei electrice. În general, un ciclu termodinamic constă dintr-o serie de procese termodinamice în care se transferă căldură şi lucru mecanic, în timp ce variază presiunea, temperatura şi alte variabile de stare. Există două clase elementare de cicluri termodinamice, cicluri de forţă şi cicluri de pompare de căldură. Ciclurile de forţă sunt cicluri care transformă o parte din căldura intrată în 59

62 ieşire sub formă de lucru mecanic, în timp ce ciclurile de pompare de căldură transferă căldura de la temperaturi mici la temperaturi ridicate utilizând ca intrare, lucru mecanic. În următoarele capitole sunt descrise câteva cicluri de forţă, care ar putea fi utilizate pentru căldura reziduală de la instalaţiile de biogaz Sisteme CRC Energia termică poate fi transformată în energie mecanică şi apoi în energie electrică cu ajutorul ciclurilor Rankine (numite şi Cicluri Clausius-Rankine, CRC). Într-un circuit închis, de obicei apa este încălzită, evaporată şi trecută printr-o turbină care pune în mişcare generatorul pentru producere de energie electrică. Acest ciclu este folosit în cele mai multe sisteme tradiţionale şi noi de generare a energiei electrice, inclusiv în centrale electrice solare, termice, cu biomasă, pe cărbune şi nucleare. Figura 55 Schema ciclului Rankine (Sursa: English Wikipedia utilizator Andrew.Ainsworth) Sunt patru etape în ciclul Rankine, care sunt prezentate prin numere în Figura 55: 1-2: Fluidul de lucru este pompat de la presiune joasă la presiune înaltă. Deoarece fluidul este un lichid în acest stadiu, pompa necesită energie de intrare mică. 2-3: Lichidul la înaltă presiune intră într-un cazan unde acesta este încălzit la presiune constantă de către căldura reziduală de la instalaţia de biogaz pentru a deveni abur saturat uscat. 3-4: Aburul saturat uscat se destinde într-o turbina, generând energie. Acest lucru scade temperatura şi presiunea aburului, şi poate să apară ceva condens. 4-1: Aburul umed intră apoi într-un condensator unde acesta este condensat la temperatură constantă pentru a deveni lichid saturat. 60 Ciclul se închide şi începe unul nou cu etapa 1-2 Eficienţa procesului se calculează cu Ecuaţia 14.

63 term P turbinã P Q in pompã P Q turbinã in Ecuaţia 14 η term P Eficienţa termodinamică a procesului Fluxul (Puterea) termic(ă) la, sau de la sistem Puterea mecanică consumată de, sau furnizată sistemului Sisteme ORC Ca formă specială de ciclul Rankine, Ciclul Rankine Organic (ORC) (Figura 58, Figura 59) utilizează un fluid organic în loc de apă şi abur. Acesta permite utilizarea de surse de căldură cu temperatură mai mică, cum ar fi căldura reziduală de la instalaţiile de biogaz, cu temperaturi de C. Acest lucru se datorează punctului de fierbere mai mic al fluidelor organice, în comparaţie cu punctul de fierbere al apei de 100 C. În afară de această diferenţă, principiul de lucru al ORC este acelaşi cu cel al ciclului Rankine. Fluidul de lucru este pompat într-un cazan unde acesta este evaporat, trecut printr-o turbină şi în cele din urmă recondensat. Alegerea fluidului de lucru este de importanţă majoră în ciclurile Rankine cu temperatură scăzută. Prin urmare, eficienţa transferului de căldură este un parametru important. Acesta influenţează caracteristicile termodinamice ale fluidului şi, astfel, condiţiile de funcţionare. Agenţii frigorifici şi hidrocarburile sunt două categorii de fluide utilizate în mod obişnuit. Fluidele sunt caracterizate în plus de următorii parametri, având în vedere că unele fluide sunt prezentate în Tabelul 11 şi având în vedere că unele fluide pot fi, de asemenea, amestecate pentru a creşte eficienţa: curba izo-entropică a vaporilor saturaţi punctele de îngheţ şi fierbere temperatura maximă de toleranţă căldura latentă şi densitatea potenţialul de epuizare a stratului de ozon (ODP) şi potenţialul de încălzire globală (GWP) potenţialul de coroziune, inflamabilitatea şi toxicitatea disponibilitatea şi costul Se estimează că din căldura reziduală de la o unitate CHP de 1 MW el, poate fi produsă aproximativ 7-10% energie electrică suplimentară ( kw el ) (FNR 2010). Randamentul electric total al unei centrale de biogaz poate creşte, prin urmare, la aproximativ 45%. Căldura reziduală de la procesul ORC-ului poate fi, teoretic, în continuare utilizată pentru încălzire, cu toate acestea, este de obicei eliberată în atmosferă. Figura 35 prezintă un exemplu de modul ORC pentru instalaţiile de biogaz. În acest exemplu, o unitate poate genera până la 125kW de energie electrică de la o sursă de energie termică de aproximativ 980kW term. Căldura minimă este de 121 C în timp ce, cea mai mare parte provine din recuperarea căldurii de la gazele de eşapament şi o parte mai mică vine de la preincalzirea fluidului de la circuitul de răcire a motorului. 61

64 Tabelul 11 Caracteristici ale diferitelor fluide pentru procesele termodinamice Fluid Punctu l critic [ C] Punctul critic [MPa] Temperatura de fierbere [ C] (la 1atm) Temperatura de descompunere [ C] Apa Amoniac (NH 3 ) n-butan C 4 H n-pentan C 5 H C 6 H C 7 H R134a (HFC-134a) C 8 H R HFC-245fa HFC-245ca R11 (CFC-11) HFE-245fa HFC-236fa R CFC R C 5 F 12 n-perfluoro-pentan

65 Figura 56 Sistem ORC (ce utilizează R245fa) al unei instalaţii de biogaz din Dublovice, Republica Cehă (Sursa: GE Energy) Figura 57 Sistem ORC (ce utilizează R245fa) (containerul din faţă) şi generatoarele pe biogaz (containerul din spate) ale unei rampe de gunoi din Warrington, U.K. (Sursa: Verdesis Services UK Limited) Figura 58 Schema Modulului ORC Ciclu Curat de 125kW al GE Energy (Adaptat după GE Energy) 63

66 Figura 59 Modul ORC Ciclu Curat al GE Energy (Sursa: GE Energy) Ciclul Kalina Ca alternativă la procesele ORC, poate fi folosit de asemenea, un proces Kalina, pentru a produce energie electrică din căldura reziduală de la instalaţiile de biogaz. Însă, sunt foarte rare exemple de cicluri Kalina pentru instalaţiile de biogaz. Spre deosebire de procesul ORC, se utilizează un amestec fluid de amoniac şi apă. Întrucât amoniacul şi apa au puncte de fierbere diferite, procesul de vaporizare are loc într-un interval de temperaturi similare cu procesele de distilare. Prin urmare, poate fi extrasă mai multă căldură de la sursă decât cu un singur fluid de lucru. Prin alegerea corespunzătoare a raportului dintre componentele soluţiei, punctul de fierbere al soluţiei de lucru poate fi ajustat pentru a se potrivi cu temperatura căldurii de intrare. Apă şi amoniac este combinaţia cea mai utilizate pe scară largă, însă sunt posibile şi alte combinaţii, de asemenea. Următoarele avantaje ale procesului de Kalina, în comparaţie cu procesul ORC pot fi menţionate: Amoniacul şi apa sunt fluide mai ieftine decât fluidele organice pentru procesele de ORC. Este posibilă adaptarea la diferite valori ale temperaturii. Eficienţa energetică este mai mare decât pentru unităţile ORC. Următoarele dezavantaje ale procesului de Kalina, în comparaţie cu procesul ORC pot fi menţionate: Experienţa pentru modulele mici cu ciclu Kalina pentru instalaţiile de biogaz este foarte limitată. Amoniacul are potenţial de coroziune ridicat ceea ce conduce la uzură şi defecţiuni mai mari şi necesită echipamente speciale. Costurile totale de investiţii sunt mai mari decât pentru unităţile ORC. 64

67 Amoniacul este otrăvitor şi mirositor, prin urmare eliberarea în mediu trebuie să fie evitată. Amoniacul este inflamabil şi exploziv Motorul Stirling Un motor Stirling este un motor termic ce funcţionează prin compresie şi destindere ciclică de aer sau de alt gaz la diferite valori de temperatură utilizând o sursă exterioară de căldură, cum ar fi căldura reziduală de la instalaţiile de biogaz. În motorul Stirling energia termică se transformă în lucru mecanic, care poate pune în mişcare un generator pentru a produce energie electrică suplimentară. Principiul de bază al motorului este un ciclu în care gazul rece este comprimat, încălzit, destins, iar în cele din urmă răcit înainte ca ciclul să se repete. Astfel sistemul este închis şi nu se adaugă şi nu este eliberat niciun gaz din motor, prin urmare, aceasta este clasificat ca şi un motor cu ardere externă. Căldura este transferată prin intermediul unui schimbător de căldura la motorul care încălzeşte gazul în motor. Există diferite tipuri de motoare Stirling, cum ar fi motoarele Stirling de tip alfa cu două pistoane şi cele de tip cu refulare, cunoscute şi ca tipurile beta şi gama. Cu scopul de a înţelege principiul unui motor Stirling, Figura 60 prezintă cele 4 faze ale unui motor de tip alfa. Un motor Stirling alfa conţine două pistoane de forţă în cilindri separaţi, unul rece si unul cald. Cilindrul fierbinte este situat în interiorul schimbătorului de căldură de temperatură mare iar cilindrul rece este situat în interiorul schimbătorului de căldură de temperatură scăzută. Acest tip de motor are un raport putere-volum mare, însă pune probleme tehnice cauzate de temperatura, de obicei, ridicată a pistonului cald şi de fiabilitate a etanşării acestuia. În practică, acest piston poartă, de obicei, un cap de izolare mare pentru a muta segmenţii departe de zona fierbinte în detrimentul unui spaţiu mort suplimentar. (Wikipedia) 1. Cea mai mare parte din gazul de lucru este în contact cu pereţii cilindrului cald, acesta a fost încălzit şi destinderea lui a împins pistonul cald la partea inferioară a cursei sale în cilindru. Destinderea continuă în cilindru rece, care este la 90 raportat la pistonul fierbinte în ciclul său, extragând mai mult lucru mecanic de la gazul fierbinte. 2. Gazul este acum la volumul său maxim. Pistonul din cilindrul fierbinte începe să mute cea mai mare parte din gaz în cilindru rece, unde acesta se răceşte iar presiune cade. 3. Aproape tot gazul este acum în cilindrul rece iar răcirea continuă. Pistonul rece, pus în mişcare de impulsul volantei (sau celălalt piston cu care face pereche pe acelaşi ax) comprimă partea rămasă a gazului. 4. Gazul ajunge la volumul său minim şi se va extinde acum în cilindrul fierbinte unde acesta va fi încălzit încă o dată, împingând pistonul cald în cursa lui de forţă. Figura 60 Principiul de bază al unui motor Stirling alfa (Sursa: Wheeler R. (Zephyris) în Wikipedia 2007) În general, motoarele Stirling au o eficienţă mult mai mică decât motoarele cu ardere internă şi sunt astfel implementate doar în aplicaţii de nişă. Utilizarea căldurii reziduale de la instalaţiile 65

68 de biogaz este foarte limitată din cauza temperaturilor scăzute ale căldurii reziduale deoarece motorul funcţionează mai bine la temperaturi ridicate (peste 900 C). În prezent, motoarele Stirling sunt disponibile pe piaţă doar cu capacităti mici de aproximativ 40 kw el. În plus, costurile de investiţii sunt încă foarte mari. Provocări viitoare includ coroziunea şi depunerile la nivelul schimbătorului de căldură deoarece gazele de ardere conţin dioxid de sulf (SO 2 ) Turbină cu gaze de ardere O altă oportunitate de a creşte producţia totală de energie electrică a unei instalaţii de biogaz este includerea unei turbine cu gaze de ardere, în fluxul de gaz de eşapament de la ieşirea motorului cu gaz. Provocarea este evitarea coroziunii la nivelul turbinei, deoarece gazele de eşapament au caracteristici corozive. Până în prezent, doar câţiva producători oferă sisteme cu turbine cu gaze de ardere. Figurile 37 şi 38 prezintă un motor cu combustibil dual, cu o turbină cu gaze de ardere integrată. În sistemul de gaze de eşapament al unităţii CHP cu combustibil dual SCHNELL este integrată o turbină cu gaz de înaltă performanţă. Energia termică existentă este convertită în energie electrică cu ajutorul acestei turbine şi cu turbo-generatorul de turaţie mare cuplat. Prin utilizarea unui invertor, se câştigă 30 kw energie electrică suplimentară. Potrivit SCHNELL, rezultatul este, eficienţa energetică crescută cu 20% în comparaţie cu unităţi CHP convenţionale cu motoare Otto cu gaz. Figura 61 Generator cu combustibil dual (Motor Pilot cu Injecţie pe Gaz) cu capacitate de 235 kw el cu o turbină cu gaze de ardere integrată cu capacitate de 30 kw el (Sursa: Schnell Motoren AG) Figura 62 Turbină cu gaze de ardere cu capacitate de 30 kw el (Sursa: Schnell Motoren AG) 66

69 4 Concepte inovatoare pentru conversia eficientă a biogazului După cum s-a arătat deja în capitolele anterioare, există mai multe opţiuni diferite pentru utilizarea biogazului. Cea mai comună utilizare astăzi, este arderea biogazului în unităţi de cogenerare (CHP) de energie electrică şi termică. Acest lucru se face de obicei la locaţia instalaţiei de biogaz construite. Cu toate acestea, într-un sistem de alimentare cu energie în schimbare, trecerea de la combustibilii fosili spre o integrare mai mare, din surse regenerabile de energie, sunt investigate, introduse şi aplicate noi concepte de utilizare a biogazului pentru diferite aplicaţii. Deşi aceste concepte nu sunt prevăzute în mod direct de scopul manualului, care se centrează pe utilizarea căldurii reziduale de la instalaţiile de biogaz, acestea sunt descrise pe scurt pentru a arăta întreaga gamă de utilizări ale biogazului. În funcţie de sistemele viitoare de energie, un nou şi chiar mai important rol poate fi atribuit sistemelor de biogaz. Astfel, rolul de utilizare a biogazului în unităţi CHP convenţionale pentru producerea maximului de energie electrică poate să scadă, în timp ce noi concepte de utilizare a biogazului pot câştiga o mai mare importanţă. 4.1 Conducte de biogaz şi unităţi CHP satelit O abordare care utilizează eficient conţinutul de energie al biogazului este de a transporta biogazul prin conducte de gaze (micro-reţele de biogaz) la aşa-numitele unităţi CHP satelit, care sunt situate în apropierea unui consumator de căldură (Figura 65). Un număr tot mai mare de proiecte construiesc asemenea sisteme cu una sau mai multe unităţi CHP. Aceste proiecte sunt de obicei implementate pentru instalaţiile de biogaz, care nu au un consumator mare de căldură la locaţia instalaţiei. Cu scopul de a utiliza integral energia termică, biogazul este transportat printr-o conductă dedicată pentru biogaz, la consumatori. Este o alternativă bună să se construiască sisteme mici de termoficare, în care conductele să transporte apa fierbinte la consumatori. În Tabelul 12, este făcută o comparaţie generală între conductele de biogaz şi cele de căldură. Alegerea sistemului este influenţată de mai mulţi factori locali şi include aspecte tehnice, economice şi juridice. În general, conductele de biogaz şi micro-reţelele de biogaz, de obicei, au rezultate mai bune decât reţelele mici de termoficare, proporţional cu dimensiunea reţelelor. Un sistem de distribuţie a energiei termice este necesar şi pentru o micro-reţea de biogaz, dar pierderile de energie sunt mult mai mici, deoarece acesta este în imediata apropiere a unităţii CHP satelit. O condiţie prealabilă pentru transportul biogazului în conducte la unităţile CHP satelit, este uscarea bună a gazului. În cazul în care gazul este prea umed, apa condensează în conducte şi duce la coroziune şi blocare. Mai mult, gazul trebuie să fie desulfurat, pentru a evita coroziunea conductelor. 67

70 Figura 63 Punctul de plecare al conductelor de biogaz, la o unitate CHP satelit, la oraşul Trebon, Republica Cehă (Sursa: D. Rutz) Figura 64 Punctul de plecare al unei conducte de biogaz spre o instalație CHP satelit - Germania (Sursa: Rutz) Figura 65 Conductă de biogaz la unităţi CHP satelit (stânga) şi sistem de micro-termoficare (dreapta) 68

71 Tabelul 12 Comparaţie între diferite caracteristici ale conductelor de biogaz şi de căldură Caracteristici Conducte de biogaz Conducte de căldură Locaţia unităţilor CHP Agentul transportat De obicei o unitate CHP la locaţia instalaţiei de biogaz (pentru încălzirea digestorului) şi câteva unităţi CHP satelit end la capătul conductei de biogaz Biogaz Una sau câteva unităţi CHP centralizate la locaţia instalaţiei de biogaz Apă caldă pă Compresor/pom Compresor de gaz Pompă de circulare a apei Numărul conductelor Conducta Pierderi Măsuri de pregătire Condiţii cadru legislative Costuri Maturitatea implementării Gradul de adecvare general Este necesară doar o conductă Conducte de gaz; rezistente la coroziune; oţel acoperit anticoroziv sau ţevi din material sintetic Pierderi de gaz mici Uscarea gazului, desulfurare (<10ppm), presurizare Situaţia legislativă adesea nu este clară şi nu este definită clasificarea conductelor de biogaz; Sunt practicate cerinţe de siguranţă mari Costurile pentru compresoarele de gaz sunt mult mai mari decât cele pentru pompele de circularea apei Există doar puţine exemple în unele ţări Mai bune pentru distanţe mari Sunt necesare conducte tur şi retur pentru un circuit închis al apei Conducte de termoficare izolate; de obicei constau în material sintetic Pierderile de căldură depind de izolare, însă pierderile de energie sunt în general mai mari decât cele de gaz Încălzirea apei Sisteme de obicei omologate Costurile de instaslare pentru conductele de căldură sunt de obicei mari Sunt aplicate la scară largă sistemele de termoficare mici Mai bune pentru distanţi mici 4.2 Condiţionarea biogazului şi injectarea biometanului în reţea O altă opţiune pentru utilizarea eficientă a biogazului este condiţionarea biogazului la calitatea biometanului şi injectarea adiacentă a biometanului în reţeaua de gaze naturale. În procesul de condiţionare, biogazul este într-o primă etapă, curăţat de impurităţi, cum sunt hidrogenul sulfurat, apa, amoniacul, azotul, siloxanii, particulele solide şi oxigenul. Eliminarea acestor substanţe şi gradul necesar de puritate depind de a doua etapă, în care este înlăturat CO 2, în timp ce conţinutul de metan creşte de la 45-70% CH 4, la >95% CH 4. Astfel, creşte densitatea energiei. Esenţa întregului proces este tehnologia de purificare, care poate fi clasificată în patru categorii. 69

72 Tehnologii cu adsorbţie: adsorbţie cu oscilare a presiunii (PSA) Tehnologii cu absorbţie: spălare cu apă, spălare organică fizică, spălare chimică Tehnologii cu permeabilitate: separare prin membrană la presiune ridicată, separare prin membrană la presiune scăzută Tehnologii criogenice de purificare Metoda cea mai raspândită este spălarea cu apă, caz în care gazul la presiune înaltă trece printr-o coloană unde dioxidul de carbon si alte urme de elemente sunt spălate de apa care cade, trecând în contra-curent prin gaz. După procesul de purificare, biometanul este condiţionat (reglaj fin al compoziţiei şi puterii calorifice ale gazului), este odorizat şi presurizat, cu scopul de a fi injectat în reţeaua de gaze naturale. În ultimii ani, numărul de instalaţii de condiţionare a biogazului a crescut constant. În prezent, în Germania, sunt în funcţiune aproximativ 100 de instalaţii de condiţionare. De asemenea, în alte ţări, precum Suedia, Elveţia şi Austria, există instalaţii de condiţionare. Principalul beneficiu este că, odată ce biometanul a intrat în reţeaua de gaze naturale, acesta poate fi uşor stocat şi consumat la orice locaţie cu acces la reţeaua de gaze naturale. Astfel, poate fi utilizat întreg conţinutul de energie, deoarece biogazul poate fi consumat de ex. la locaţiile consumatorilor de energie termică. Principalele dezavantaje ale instalaţiilor de condiţionare pot fi rezumate prin următoarele: Costuri de investiţie mari aplicate pentru întregul proces. În prezent este adecvată doar pentru instalaţiile mari datorită costurilor ridicate. Este necesară energie pentru procesul de condiţionare. Condiţiile cadru nu sunt propice în multe ţări. Conceptul utilizării de deşeuri pentru producerea de biogaz cu condiţionare adiacentă la biometan, numită şi deşeuri-la-biometan (WtB), este promovat de proiectul UrbanBiogas (deşeuri urbane pentru injectarea de biometan în reţea şi transportul în zonele urbane), în 5 oraşe europene (Rutz et al 2011;. Rutz et al 2012). În multe regiuni europene managementul deşeurilor este în continuare o problemă majoră şi numai câteva instalaţii utilizează deşeuri organice pentru producerea de biometan. Figura 66 Tehnologia de adsorbţie la presiune oscilantă (PSA) în Aiterhofen, Germania (Sursa: Rutz) Figura 67 Instalaţie de purificare cu scruber cu apă al Swedish Biogas International, în Lidköping, Suedia (Sursa: Rutz) 70

73 4.3 Transportul biometanului în containere La locaţii care nu au reţea de gaze naturale sau nu au acces la reţeaua de gaze naturale, biometanul poate fi de asemenea stocat în containere şi apoi transportat la locul de consum. De aceea, biometanul este presurizat şi pompat în containere sub forma aşa-numitului Bio- CNG (gaz natural comprimat) sau CBG (biometan gaz comprimat) (Figura 69). Această abordare este frecvent pusă în aplicare în Suedia, care are doar o reţea foarte mică de gaze naturale. Acolo, containerele de Bio-CNG sunt aduse de camioane la staţiile de alimentare, deoarece în Suedia cea mai mare parte a biometanului este utilizat pentru transporturi. Biometanul poate fi, de asemenea, lichefiat prin răcire la aproximativ -162 C. Acest lucru se poate face cu azot lichid. Biometanul lichefiat, numit şi Bio-LNG (gaz natural lichefiat) sau LBG (biometan gaz lichid), este apoi stocat în containere frigorifice care pot fi transportate la consumatori. Avantajul principal este densitatea energetică mai mare, care este de aproximativ 5 ori mai mare decât cea a Bio-CNG, astfel că transportul containerelor pe distanţe lungi devine mai eficient. Însă, este necesară o cantitate considerabilă de energie pentru procesul de lichefiere. Acest proces este în prezent implementat doar în instalaţii de testare (Figura 68) şi poate fi aplicată numai în aplicaţii viitoare de nişă, cum ar fi în transportul naval şi aviaţie. Principalele dezavantaje includ costuri ridicate, pierderi mari de energie, precum şi riscurile legate de securitate. Figura 68 Containere pentru transportul CBG ale instalaţiei de biogaz din Borås, Suedia (Sursa: Rutz) Figura 69 Instalaţie de biogaz a Swedish Biogas International care produce LBG în Lidköping, Suedia (Sursa: Rutz) 71

74 4.4 Utilizarea biometanului în transporturi Biometanul este din ce în ce mai văzut ca o alternativă viabilă la alţi combustibili în sectorul transporturilor. În multe ţări, infrastructura pentru utilizarea CNG în transporturi este deja foarte bună şi există reţele de staţii de distribuţie a CNG. Odată ce biometanul este injectat în reţeaua de gaze naturale, acesta poate fi, de asemenea, utilizat pentru transporturi cu aceeaşi infrastructură ca şi pentru autovehiculele cu CNG (Rutz & Janssen 2008). Cu toate acestea, staţiile de alimentare dedicate pentru CBG sunt încă rare. De obicei sunt oferiţi combustibili micşti CNG/CBG. În unele cazuri, este oferit CBG pur, uneori chiar direct la locaţia instalaţiei de biogaz. Înaintaşii în utilizarea CBG din Europa sunt Suedia şi Elveţia. O provocare majoră în utilizarea CBG (precum şi a CNG) este stocarea biometanului în vehicul şi distanţa maximă de parcurs limitată cu un rezervor plin. Adesea sunt utilizate sisteme duale de combustibil pentru metan şi pentru benzină/etanol sau motorina. Multe vehicule uşoare şi grele sunt vehicule transformate, care au fost post-echipate, cu un rezervor de gaz comprimat, în compartimentul pentru bagaje, precum şi un sistem de alimentare cu gaze naturale, în plus faţă de sistemul pentru combustibilul fosil (Al Seadi et al. 2008). Există, de asemenea, un număr tot mai mare de vehicule destinate pentru biometan, care sunt optimizate pentru o mai bună eficienţă şi o mai bună plasare a rezervoarelor de gaze, fără a pierde din spaţiul pentru bagaje. Biogazul este stocat de la 200 la 250 bari în recipiente sub presiune fabricate din materiale compozite din oţel sau aluminiu (ibid.). Figura 70 Staţie de alimentare cu biometan a Svensk Biogas din Linköping, Suedia (Sursa: Rutz) Figura 71 Rezervor pentru CBG al unui camion, Suedia (Sursa: Rutz) Biogazul pentru managementul de sarcină şi pentru stabilitatea reţelei O provocare cheie a sistemelor energetice viitoare şi mai ales a sistemelor de energie electrică viitoare este integrarea mai multor surse de energie diferite, mici şi descentralizate în sistemul energetic global. Cu un aport tot mai mare al energiilor eoliană şi solară alimentate în reţelele electrice, trebuie să fie găsite sisteme noi şi inteligente de management, cu scopul de a menţine stabil sistemul de energie electrică. Un rol important în stabilizarea reţelei viitoare de energie electrică va fi al sistemelor de stocare a energiei, precum şi al sistemelor care pot reacţiona la schimbarea sarcinii în sistem, într-un timp scurt. Reţelele inteligente de energie electrică, cu sisteme de cerere şi de furnizare automată interdependentă şi comunicantă de energie electrică sunt numite şi reţele inteligente.

75 Gazele naturale, biogazul şi biometanul sunt purtători de energie, care pot fi uşor stocaţi la diferite volume, de la depozitele de gaze mici, care fac parte din fiecare centrală de biogaz, la cele la scară mare, cum ar fi reţeaua de gaze naturale însăşi. Mai mult, energia electrică de la generatoarele cu gaz (turbine, motoare) poate fi pornită şi oprită într-un interval de timp foarte scurt. Prin urmare, aceste sisteme sunt foarte potrivite pentru a stabiliza reţeaua şi pentru a echilibra sarcina. Electricitatea de la unităţile CHP pe biogaz şi biometan poate contribui la stabilizarea reţelei. În ceea ce priveşte aplicarea practică, aceasta ar însemna ca un operator de centrală de biogaz să regleze funcţionarea unităţii CHP în conformitate cu cererea de energie electrică din reţea. Acest lucru s-ar putea face pur şi simplu prin pornirea şi oprirea unităţii CHP. Prin urmare, operatorul centralei de biogaz trebuie să primească un semnal de la operatorul reţelei sau de la comerciantul de energie electrică. Cu aceste semnale, funcţionarea unităţii CHP ar putea fi reglată automat. Însă, obiectivul operatorilor instalaţiilor de biogaz este, de obicei, maximizarea producţiei de energie electrică, în special atunci când beneficiază de un tarif fix (feed-in) pentru fiecare kwh alimentat în reţeaua de energie electrică. În cazul în care operatorul centralei de biogaz va fi implicat în stabilizarea reţelei de energie electrică, unităţile CHP ar putea fi oprite în mod regulat. Pentru acest serviciu suplimentar şi pentru veniturile pierdute cu tariful fix, operatorul centralei de biogaz ar trebui să fie compensat. În plus, operatorul centralei trebuie să fie compensat, de asemenea, pentru investiţiile în capacităţi suplimentare de stocare a biogazului. În afară de capacitatea de stocare suplimentară pentru biogaz, operatorul centralei de biogaz poate ajusta chiar procesul de digestie anaerobă prin ajustarea intrării de materie primă în digestor. Deoarece răspunsul procesului AD este slab şi este nevoie de timp pentru a reacţiona, trebuie să fie prognozate şi transmise la operatorul centralei informaţii cu privire la produceţia necesară de energie electrică. Mai multe proiecte de cercetare şi de demonstrare au implementat astfel de sisteme inteligente şi deja au dovedit viabilitatea acestora (E-Energy, AlpEnergy). 4.6 Biometanul şi Energie Electrică - în - Gaz În conceptul Energie Electrică - în - Gaz (Figura 72), surplusul de electricitate este transformat în metan sintetic. Odată cu numărul tot mai mare instalaţii de energie electrică eoliene şi solare (fotovoltaice), este produs tot mai frecvent surplus de electricitate. Acest lucru se întâmplă concomitent cu faptul că este generată mai multă energie electrică din surse regenerabile decât poate fi utilizată sau transportată în întreaga reţea de energie electrică. O opţiune pentru a rezolva problema, cu scopul de a menţine stabilă reţeaua de energie electrică, este oprirea acestor instalaţii eoliene şi solare. O altă opţiune este de a utiliza acest excedent de energie electrică cu scopul de a produce metan sintetic. Surplusul de electricitate scindează apa prin electroliză în oxigen şi hidrogen. Intrarea de hidrogen şi CO 2 (de ex. de la o instalaţie de condiţionare a biogazului) este convertită într-un proces Sabatier (Ecuaţia 15) în metan. Acest metan este injectat în reţeaua de gaze naturale şi se comportă ca un substitut al gazelor naturale. Euaţia 15 Procesul poate fi combinat fie cu o instalaţie de condiţionare a biogazului, care furnizează CO 2 în sistem, fie cu o instalaţie de biogaz comună, care furnizează biogaz convenţional, care conţine, de asemenea, cantităţi mari de CO 2, în sistem. 73

76 Capacitatea de stocare a reţelei de gaze naturale, în care este injectat metanul sintetic este foarte mare. Sistemul Energie Electrică - în - Gaz este o alternativă la sistemele de stocare prin hidroenergie, în zonele în care nu poate fi construită o infrastructură hidroenergetică. Acesta este, de asemenea, o alternativă la alte sisteme de stocare, cum ar fi acumulatorii, roţile volante, aerul comprimat, etc. O condiţie prealabilă pentru sistem este disponibilitatea unei surse de apă, precum şi a unei surse de CO 2. Oxigenul produs este un co-produs, care poate fi, de asemenea, comercializat. Potrivit Institutului Worldwatch (2012) un dezavantaj major pentru această abordare este pierderea semnificativă de energie implicată. Conversia energiei electrice în metan se produce cu o eficienţă de doar până la 60%. În cazul în care metanul este folosit mai târziu într-o centrală electrică pe gaze naturale pentru a produce energie electrică, eficienţa scade la 36%. Stocarea prin hidro-pompare, pe de altă parte, stochează energie la un procent de eficienţă de la 70 la 80%. Din punct de vedere ecologic, este totuşi fără îndoială mai bine să se utilizeze această tehnologie, decât să se piardă" energie electrică dacă trebuie să fie oprite generatoarele eoliene şi solare. În Germania, care are capacităţi mari de energie eoliană în Nord şi o cerere de energie electrică mare în Sud, sistemele Energie Electrică - în - Gaz ar putea fi o măsură pentru a stabiliza reţeaua electrică. Mai multe instalaţii de cercetare şi demonstrare sunt în prezent construite, precum cele prezentate în următoarea listă (Dena 2012). Enertrag-Hybridkraftwerk, Prenzlau E.ON-Pilotanlage, Falkenhagen SolarFuel-Alpha-Anlage, Stuttgart 250-kW-Power-to-Gas-Pilotanlage, Stuttgart Audi-e-gas-Anlage, Werlte Demonstrations- und Innovationsprojekt RH2, Werder/Kessin/Altentreptow Figura 72 Conceptul Energie Electrică - în - Gaz 74

77 75

78 5 Linii directoare cu privire la opţiunile de utilizare a energiei termice După cum a fost prezentat în acest manual, există mai multe opţiuni diferite pentru utilizarea eficientă a biogazului. Obiectivul totuturor acestora este de a maximiza utilizarea energiei din conversia biogazului. Pentru un operator al unei instalaţii de biogaz principalul obiectiv este să maximizeze veniturile din producţia de biogaz indeplinind în acelaşi timp cerinţele legale. Prin urmare, acest capitol oferă sfaturi cu privire la modul selectare a celor mai bune optiuni de utilizare a energiei termice pentru operatorul instalaţiei, în funcţie de diferite condiţii cadru. Utilizarea cea mai eficientă şi profitabilă a biogazului este conversia acestuia în energie electrică şi termică, cu o unitate CHP eficientă şi modernă, utilizând energia termică direct la locaţia de instalaţiei de biogaz. Astfel energia termică poate fi utilizată pentru diferite scopuri. Totuşi, situaţia în care producţia de energie electrică, precum şi furnizarea şi cererea căldură pot fi simultan maximizate, apare rar în situaţii reale. O alternativă generală foarte bună a maximizării simultane a energiei electrice şi utilizării energiei termice este injectarea de biogaz condiţionat în reţeaua de gaze naturale. Astfel biometanul poate fi utilizat în unităţi CHP satelit la locaţii cu cereri mari pentru energie electrică simultan cu energie termică. Însă, costurile de investiţii ale instalaţiilor de condiţionare sunt foarte mari şi, de obicei, proiectele de condiţionare sunt implementate în proiecte mari. În faza de planificare iniţială a proiectelor de recuperare a căldurii reziduale de la instalaţiile de biogaz, trebuie să fie luate în considerare următoarele patru întrebări-cheie, înainte de a începe investigaiile aprofundate ale proiectului: Poate să fie utilizată energia termică de la unitatea CHP în cadrul propriei instalaţii (de ex. pentru încălzirea digestorului, incălzirea caselor şi grajdurilor proprii, răcirea şi uscarea produselor agricole, uscarea digestatului şi a nămolului de epurare, igienizarea, etc.)? Cât de multă energie termică poate fi folosită pentru scopuri proprii? Există un potenţial consumator extern de energie termică în vecinătatea instalaţiei? Cât de sigură este cererea de cenergie termică? Cât de departe este consumatorul de energie termică de instalaţia de biogaz? Este cererea de eneregie termică, continuă sau sezonieră? Ce tip de contract şi pe ce durată se poate face, cu consumatorul de energie termică? În cazul în care nu poate fi găsit nici-un consumator de energie termică, este posibil să se creeze" un consumator de energie termică nou aproape de instalaţie (de ex. instalaţie de uscare, seră, acvacultură)? În cazul în care nu poate fi găsit nici-un consumator de energie termică, ar fi fezabilă o instalaţie de condiţionare a biogazului? Este instalaţia destul de mare? Cât de departe este reţeaua de gaze naturale? Există suport legal pentru producţia de biometan? În plus faţă de aceste întrebări, următoarea listă de verificare include aspecte importante care ar trebui luate în considerare pentru un proces de proiectare mai detaliat: Care este principalul obiectiv al instalaţiei de biogaz? Situaţia actuală a instalaţiei (instalaţie existentă sau proiectată) Maximizarea producţiei de energie electrică şi termică (şi veniturile din tarifele fixe) Maximizarea ieşirii de energie termică 76

79 Contribuţie la managementul sarcinii cu capacităţi suplimentare de stocare a gazului şi unităţi CHP Care sunt oportunităţile şi limitările legislative? Legi aplicabile producerii de energie electrică regenerabilă din biogaz Aspecte legislative specifice privind utilizarea energiei termice, eficienţei, mărimii instalaţiei, etc. (de ex. dispoziţia pentru utilizarea de 60% căldură din Germania) Aspecte legislative specifice privind capacităţi de stocare suplimentară a gazului Aspecte legislative specifice privind contribuţia la stabilitatea reţelei de energie electrică Aspecte legislative specifice privind clasificarea şi protecţia terenurilor (de ex. arii protejate) Aspecte legislative specifice privind siguranţa Procedurile de autorizare Care sunt limitările specifice locaţiei? Spaţiul disponibil pentru instalaţii suplimentare Dreptul de proprietate al părţilor interesate afectate (de ex. conductele care trec prin diferite proprietăţi) Clasificarea şi protecţia terenurilor (de ex. arii protejate) Ce aspecte tehnologice trebuie luate în considerare? Capacităţi de stocare a biogazului suplimentare Capacităţi CHP suplimentare pentru vârfurile de consum de electricitate Arzătoare de gaz suplimentare pentru vârfurile de consum de energie termică Durata de viaţă a echipamentelor Cerinţele pentru întreţinere Maturitatea şi fiabilitatea tehnologiei Monitorizarea tehnică Ce aspecte financiare sunt legate de proiect? Preţul curentului electric Preţul pentru încălzire şi răcire Preţul pentru alte servicii cum ar fi uscarea Preţul produselor de la acvacultură Costurile de investiţii pentru echipamentele şi instalaţiile suplimentare Costurile de capital (rata dobânzii) Raportul dintre capitalul propriu şi datorii Costurile pentru echipamentele suplimentare Costurile pentru înlocuirea echipamentelor Costurile pentru operare şi întreţinere Costurile pentru munca suplimentară Scheme de sprijin public disponibile 77

80 Care sunt capacităţile operatorului? 78 Expertiza şi calificarea operatorului Personalul calificat Timpul de lucru suplimentar Ce relaţii contractuale cu partenerii (de afaceri) sunt relevante? Contracte de furnizare a energiei electrice Contracte de furnizare a energiei termice Durata contractelor Furnizare garantată sau ne-garantată Încrederea producătorilor Experienţe existente cu partenerii de afaceri Aprobarea vecinilor Parteneri privaţi sau publici Investitori 6 Concluzii În cele din urmă, se poate concluziona că cele mai frecvente concepte ale energiei termice pentru instalaţiile de biogaz agricol astăzi includ utilizarea directă de căldură pentru scopuri proprii (case, grajduri), precum şi pentru uscarea biomasei solide în instalaţii agricole. Astfel, furnizarea de energie termică adesea depăşeşte disponibilitatea de căldură (în timpul verii) şi se pierde încă o mare parte din caldura. Unele instalaţii utilizează energia termică pentru uscare de cereale şi pentru sisteme de termoficare mici. Utilizarea energiei termice pentru aclimatizare în sere, pentru răcire şi pentru acvacultură este încă o aplicaţie de nişă. Cele mai frecvente concepte ale energiei termice pentru utilizarea căldurii reziduale a instalaţiilor de biogaz sunt pentru scopuri proprii, cum ar fi pentru igienizare şi salubrizare. Unele instalaţii aprovizionează, de asemenea, sisteme de termoficare. În plus, unele instalaţii folosesc căldura pentru uscarea digestatului. Acelaşi lucru se aplică pentru staţiile de epurare a apelor uzate care folosesc nămolurile de epurare ca materie primă. În Suedia, ca un caz special, condiţionarea biogazului la biometan şi distribuţia adiacentă la staţii de alimentare cu biometan, este foarte comună. În Germania, înfiinţarea de instalatii de condiţionare pentru injectarea biometanului în reţeaua de gaze naturale este în creştere. Din cele aproximativ 7500 instalaţii de biogaz infiinţate, sunt instalate în prezent approximativ 100 instalaţii de condiţionare. Planul guvernamental este de a creşte semnificativ acest număr. Disponibilitatea limitată a resurselor, concurenţa pentru utilizarea terenurilor, precum şi creşterea concurenţei pentru materialele reziduale, cresc presiunea asupra instalaţilor de biogaz. De aceea va deveni, din ce în ce mai important să se maximizeze producţia de energie utilizabilă din biogaz. Acest lucru înseamnă să se creeze concepte solide şi eficiente ale energiei termice pentru instalaţiile de biogaz comune, cu unităţi CHP. Fără un concept solid al energiei termice, instalaţiile de biogaz viitoare riscă să îşi piardă fezabilitatea lor economică şi performanţa de mediu. Obiectivul unei producţii de energie maximizate este valabil, de asemenea, pentru instalaţiile cu condiţionarea biogazului. Utilizarea de biometan în transporturi joacă un rol special: în prezent, sectorul transporturilor se bazează în mare măsură pe combustibili de transport pe bază de carbon. Utilizarea de combustibili non-carbon (hidrogen, energie electrică), joacă doar un rol minor în sistemul

81 actual al transporturilor. Întrucât biometanul este, de asemenea un combustibil pe bază de carbon, aceasta ar putea contribui în mod semnificativ la viitorul amestec energetic în sectorul transporturilor. Acest lucru este important, deoarece alternativele la combustibilii de transport pe bază de carbon sunt foarte limitate. Astfel, eficienţa energetică generală mai mică a motoarelor cu combustie ale vehiculelor, ar putea fi acceptată. Limitarea resurselor, competiția asupra terenurilor, ca și competiția tot mai intensă pentru materialele recicalbile sunt presiuni suplimentare pentru stațiile de biogaz. Este de acee din ce în ce mai important să se maximizeze energia utilizabilă și ieșirile dintr-o astfel de stație. Aceasta înseamnă elaborarea unor concepte inovatoare ăn ce privește producția de energie prin unitățile de cogenerare. Fără astfel de concepte, stațiile de biogaz riscă să-și piardă competitivitatea economică și performanțele de mediu. 79

82 Glosar şi Abrevieri Glosarul şi lista abrevierilor descrie şi defineşte diverse expresii specifice sau comune, termeni şi cuvinte, care sunt utilizate în acest manual. Un obiectiv major al acestei liste este de a facilita traducerea manualului în limbile naţionale. Unele expresii sunt adaptate din Wikipedia. Absorbţie: Proces în care atomi, molecule, sau ioni intră într-un mediu (material gazos, lichid, sau solid). Acesta este un proces diferit de adsorbţie, deoarece moleculele supuse absorbţiei sunt preluate de volum, nu de suprafaţă (ca în cazul adsorbţiei). Abur: Aburul este termenul tehnic pentru vaporii de apă, faza gazoasă a apei. Acetat de sodiu: Compus chimic cu formula CH 3 COONa, prescurtat şi NaOAc, de asemenea, ethanoat de sodiu, este sarea de sodiu a acidului acetic. Această sare incoloră are o gamă largă de utilizări. Acvacultură: Acvacultura, cunoscută şi sub numele de ferme acvatice, reprezintă creşterea organismelor acvatice, cum ar fi peşti, crustacee, moluşte şi plante acvatice. Acvacultura presupune cultivarea de populaţii de apă dulce şi sărată în condiţii controlate şi poate fi în contrast cu pescuitul comercial, care este recoltarea de peşte sălbatic. Acvacultura poate fi făcută în corpuri de apă naturale sau artificiale sau în sisteme artificiale închise. Acvaponic: Cuvânt artificial, format din cuvintele acvacultură (peşti) şi hidroponic (legume). AD: vezi Digestie anaerobă Adsorbţie: Adeziunea atomilor, ionilor, sau moleculelor unui gaz, lichid, sau solid dizolvat la o suprafaţă solidă. Adsorbţie la presiune oscilantă: Metodă de condiţionare a biogazului la calitatea biometanului. Amoniac: Un compus gazos al azotului cu hidrogenul, NH 3, cu gust şi miros înţepător. An: Un an calendaristic este o aproximare a perioadei orbitale a Pământului dintr-un calendar dat. Un an calendaristic în calendarul gregorian (precum şi în calendarul iulian), fie are 365 de zile (anii obişnuiţi), fie 366 (anii bisecţi). Orele de funcţionare ale echipamentelor aferente biogazului sunt de obicei menţionate la 8760 ore. Apă: H 2 O conţine un atom de oxigen si doi de hidrogen şi este un lichid în condiţiile de mediu, dar de multe ori co-există pe Pământ, cu starea sa solidă, gheaţa, şi cu starea gazoasă (vapori de apă, sau abur). Apa acoperă 70,9% din suprafaţa Pământului şi este vitală pentru toate formele de viaţă cunoscute. Arzătoare pe gaz cu valoare calorică redusă (LCV): Un arzător LCV arde gaze cu valoare calorică redusă (valoare calorică mai mică de 8,5 MJ/Nm 3 ). Baril echivalent petrol (bep - boe): Cantitatea de energie conţinută într-un baril de petrol brut, adică cca. 6,1 GJ, echivalentul a 1700 kwh. Un baril de petrol" este o unitate de măsură a lichidelor egală cu 42 galoane SUA (35 galoane britanice sau 159 litri); aproximativ 7,2 barili sunt echivalenţi cu o tonă de petrol (în sistemul metric). Bio-CNG: vezi Biometan Gaz Comprimat BiogasHeat: Proiect (Dezvoltarea de pieţe sustenabile ale energiei termice pentru instalaţiile în biogaz din Europa) finanţat de Programul Energie Inteligentă pentru Europa al Comisiei Europene în cadrul căruia a fost elaborat acest manual. Biogaz: Gaz ce rezultă din digestia anaerobă, constand în special din metan şi dioxid de carbon, dar şi din hidrogen sulfurat, apă şi fracţiuni mici de alţi compuşi. Bio-LNG: vezi Biometan Gaz Lichefiat 80

83 Biometan: Biogaz condiţionat la calitatea gazului natural cu un conţinut de CH 4 >95% Biometan Gaz Comprimat (CBG): CBG este obţinut prin comprimarea biometanului. Deoarece acesta are aceleaşi proprietăţi cu ale CNG, vezi descrierea de la Gaz natural comprimat. Biometan gaz lichefiat (LBG): biometan in stare lichidă deoarece acesta este răcit până sub punctul de fierbere de aproximativ -160 C Boilere în condensaţie: Cazanele cu condensare sunt încălzitoare de apă cu eficienţă mare (de obicei, mai mare de 90%), care sunt realizate prin utilizarea căldurii reziduale de la gazele de ardere pentru a pre-incălzi apa rece care intră în cazan. Acestea pot fi alimentate cu gaz sau petrol şi sunt numite boilere în condensaţie, deoarece vaporii de apă produşi în timpul arderii sunt condensaţi în apă, care părăseşte sistemul prin intermediul unui tub de scurgere. Capacitate: Puterea maximă pe care o poate produce sau transporta o maşină sau un sistem în condiţii de siguranţă (putere maxima instantanee produsă a unei resurse în condiţii specifice). Capacitatea echipamentelor de generare este, în general, exprimată în kilowaţi sau megawaţi. Capacitate instalată: Capacitatea instalată reprezintă capacitatea totală electrică sau termică a dispozitivelor de generare a energiei. Căldură (energie termică): Căldura este energia transferată de la un sistem la altul prin interacţiune termică. Spre deosebire de lucru mecanic, căldura este întotdeauna însoţită de un transfer de entropie. Fluxul de căldură (termic) de la un corp cu temperatură mare la unul cu temperatură scăzută se produce spontan. Acest flux de energie poate fi valorificat şi parţial convertit în lucru mecanic util cu ajutorul unui motor termic. A doua lege a termodinamicii interzice fluxul de căldură de la un corp cu temperatură scăzută la unul cu temperatură ridicată, însă cu ajutorul unei pompe de căldură lucrul mecanic extern poate fi folosit pentru a transfera energie de la temperatură mică, la temperatură mare. În termeni uzuali, căldura are o diversitate de sensuri, inclusiv temperatură. În fizică, căldura" este, prin definiţie, un transfer de energie şi este întotdeauna asociată cu un proces de un anumit tip. Căldura" este un termen folosit interschimbabil cu termenii "flux termic" şi "transfer de căldură". Transferul de căldură poate avea loc într-o varietate de moduri: prin conducţie, radiaţie, convecţie, transfer net de masă, frecare sau vâscozitate şi prin disipare chimică. Căldură latentă: Căldura latentă este căldura eliberată sau absorbită de un corp sau de un sistem termodinamic în timpul unui proces care are loc fără modificare a temperaturii. Un exemplu tipic este transformarea de stare a materiei, adică tranziţia de fază, cum ar fi topirea gheţii sau fierberea apei. În contrast cu căldura latentă, energia sau căldura perceptibilă determină procese care au drept rezultat o schimbare a temperaturii sistemului. Căldură de proces: Căldură utilizată în şi pentru diferite procese interne sau externe (de ex. pentru încălzirea digestorului). Căldură perceptibilă (măsurabilă): Căldura perceptibilă reprezintă căldura schimbată de un sistem termodinamic, care are ca efect unic o modificare a temperaturii. Căldură reziduală: Căldura de la orice proces, cum ar fi de la o unitate CHP, care este eliberată în atmosferă şi neutilizată. Aceasta poate fi numită şi surplus de căldură, deoarece căldura", ca tip de energie, nu poate dispărea (ca deşeu), în conformitate cu legea de conservare a energiei. CBG: vezi Biometan Gaz Comprimat CH 4 : vezi Metan CHP: Producere combinată de energie termică şi electrică (Syn. Co-generare): producere secvenţială de energie electrică şi termică utilă de la o sursă de combustibil comună. 81

84 Căldura eluberată din procesele industriale poate fi utilizată pentru a pune în funcţiune un generator electric (ciclu căldură-electricitate). În schimb, surplusul de căldură de la o instalaţţie generatoare de electricitate poate fi utilizat pentru procese industriale, sau cu scopuri de încălzire a spaţiilor şi apei (ciclu electricitate-căldură). Ciclu Clausius-Rankine (CRC): Ciclu termodinamic închis în care, de obicei, apa este încălzită, evaporată şi trecută printr-o turbină care pune în mişcare generatorul pentru producerea de energie electrică. Ciclu Rankine Organic: Este numit proces ORC pentru că utilizează în cadrul lui un fluid organic cu masă moleculară mare, cu o tranziţie de fază lichid-vapori, sau punct de fierbere, care apare la o temperatură mai mică decât tranziţia de faza de apă-abur. Fluidul permite ciclului Rankine recuperarea de căldură de la surse temperaturi mai scăzute, cum ar fi cele de la instalaţiile de biogaz. Cicluri Rankine: vezi Ciclul Clausius-Rankine CNG: Gaz Natural Comprimat CO 2 : vezi Dioxid de carbon Coeficient de performanţă (COP): Coeficientul de performanţă sau COP (uneori CP), al unei pompe de căldură este raportul dintre variaţia de căldură la ieşire" (a rezervorului de căldură dat) şi lucrul mecanic generat. COP a fost creat pentru a compara pompele de căldură în funcţie de eficienţa lor energetică. Co-generare: vezi generare combinată de energie termică şi electrică (CHP) Combustibil fosil: Combustibilii fosili s-au format în milioane de ani prin procese naturale precum descompznerea anaerobă a organismelor moarte. COP: vezi Coeficient de performanţă Companie de servicii energetice (ESCo, ESCO): O companie de servicii energetice este o afacere comercială ce furnizează o gamă largă de soluţii energetice complete, incluzând proiectarea şi implementarea de proiecte de economisire a energiei, conservarea energiei, externalizarea de infrastructuri energetice, generarea de energie electrică şi furnizarea de energie şi managementul riscului. Conţinut de apă: Raportul dintre masa de apă conţinută de un material (biomasă) şi masa materialului umed în sine. CRC: vezi Ciclul Clausius-Rankine Curbă a duratelor de solicitare: O curbă a duratelor de solicitare este similară cu curba de sarcină, însă valorile solicitării sunt ordonate în ordinea descrescătoare a mărimii, şi nu cronologic. Curbă de sarcină: O curbă de sarcină este un grafic care arată consumul real de căldură sau de energie electrică de-a lungul timpului, de obicei, un an (8760 ore). DH: Termoficare DHC: Încălzire şi răcire centralizată DHW: Alimentare cu apă caldă menajeră Diagramă h-x: Diagrama h-x Mollier permite să definească caracteristicile dinamice ale aerului umed prin încălzire, răcire, umezire şi uscare. Digestat: Efluentul tratat / digerat de procesul AD. (Sin. reziduuri AD, biomasă digerată, nămol digerat de la biogaz) Digestie: vezi Digestie Anaerobă Digestie anaerobă: Numită şi digestie, sau fermentaţie: un proces microbiologic de descompunere a materiei organice, în absenţa completă a oxigenului, realizat de acţiunea 82

85 concertată a unei mari varietăţi de micro-organisme. Digestia anaerobă (AD) are două produse finale: biogazul (un gaz compus dintr-un amestec de metan, dioxid de carbon şi alte gaze şi oligoelemente) şi digestatul (substratul digerat). Procesul AD este întâlnit în multe medii naturale şi este aplicat în prezent pentru producerea de biogaz în reactoare de tip rezervor izolate la pătrunderea aerului, denumite de obicei digestoare. Digestor: (numit uneori şi fermentator) rezervor închis, de obicei, în formă de cilindru vertical sau orizontal, sau de garaj (pentru digestia uscată), în care are loc procesul de digestie anaerobă Diferenţă (Gradient) de temperatură ( T): diferenţa dintre două valori de temperatură astfel încât rezultatul să fie întotdeauna pozitiv. Dioxid de carbon: CO 2 este un compus chimic natural format din doi atomi de oxigen legaţi covalent de un singur atom de carbon. Acesta este un gaz la temperatură şi presiune normală şi există în atmosfera Pământului în această stare, ca gaz sub formă de urme, la o concentraţie de 0,039% în volum. Echivalent petrol: Tonă echivalent petrol (tep - toe), este o unitate pentru energie: cantitatea de energie eliberată prin arderea unei tone de petrol, aprox. 42 GJ. EER: vezi Rata de Eficienţă Energetică Eficienţa transferului termic: Raportul dintre producţia de căldură utilă şi căldura efectivă produsă în dispozituvul de ardere. Electroliza: Electroliza este o metodă de utilizare a curentului continuu (DC) pentru producerea unei reacţii chimice, altfel ne-spontană. De exemplu, electroliza poate scinda apa în elementele sale hidrogen şi oxigen. Energie Electrică-în-Gaz: Procedeu de producere a metanului sintetic prin electroliza apei realizată cu surplusul de electricitate. Energie perceptibilă: vezi Căldură perceptibilă (măsurabilă) Entalpie: Entalpia este o măsură a energiei totale a unui sistem termodinamic. Aceasta include energia internă, care reprezintă energia necesară pentru a crea un sistem, şi cantitatea de energie necesară pentru a face loc pentru aceasta prin înlocuirea mediului său şi stabilindu-i volumul şi presiunea. Entropie: Entropia este o măsură a cum este distribuită uniform energia în sistem. Într-un sistem fizic, entropia reprezintă o măsură a cantităţii de energie ce nu poate fi folosită pentru producerea de lucru mecanic. ESCo: vezi Companie de Servicii Energetice Exergie: În termodinamică, exergia unui sistem reprezintă lucrul mecanic maxim posibil din timpul unui proces care aduce sistemul la echilibru cu un rezervor de căldură. Atunci când vecinătăţile reprezintă rezervorul, exergia este potenţialul unui sistem de a provoca o schimbare astfel încât acesta să ajungă la echilibru cu mediul său înconjurător. Exergia este energia care este disponibilă să fie utilizată. După ce sistemul şi vecinătăţile ating echilibrul, exergia este zero. Determinnarea exergiei a reprezentat de asemenea primul scop al termodinamicii. Feed-in (Alimentare în reţea): Alimentarea de energie electrică în reţeaua energetică generală; echivalent de injectarea biometanului în reţeaua de gaze naturale. Gaz cu efect de seră (GES - GHG): Gaze care sechestrează căldura solară în atmosfera Pământului, producând efectul de seră. Cele două gaze cu efect de seră majore sunt de vaporii de apă şi dioxid de carbon. Alte gaze cu efect de seră includ metanul, ozonul, clorofluorocarburile şi oxidul de azot. Gaze de ardere: Gazul care este eliberat după ardere de la un dispozitiv de ardere (arzător, motor); Acesta conţine în principal CO 2, dar şi alţi compuşi. 83

86 Gaz natural: Gazul natural este un amestec de hidrocarburi gazoase fosile care constă în principal din metan, cu alte hidrocarburi, dioxid de carbon, azot şi hidrogen sulfurat. Gaz natural comprimat (CNG): CNG este obţinut prin comprimarea gazului natural, la mai puţin de 1% din volumul pe care îl ocupă la presiune atmosferică normală. Acesta este stocat şi distribuit în containere şi rezervoare la o presiune de bari ( psi). Gaz natural lichefiat: gaz natural care este răcit până sub punctul de fierbere de aproximativ -160 C Gaz petrolier lichefiat (GPL - LPG): LPG este un amestec fosil pe bază de propan-butan, numit şi LPG (GPL), sau gaz LP (PL). Generator: Un dispozitiv pentru conversia energiei mecanice în energie electrică. În instalaţiile frigorifice cu absorbţie, un generator este dispozitivul în care agentul frigorific şi mediul de transport sunt separate prin aport de căldură. GWP: vezi Potenţial de încălzire globală H 2 : vezi Hidrogen H 2 O: vezi Apă H 2 S: vezi Hidrogen sulfurat Hidroxid de bariu: Compus chimic cu formula Ba(OH) 2. Cunoscut şi cu numele de barită, acesta este unul dintre compuşii principali ai bariului. Monohidratul granular alb este forma comercială obişnuită. Hidrogen: H 2 este cel mai uşor element, iar forma sa monoatomică (H 1 ) este substanţa chimică cea mai abundentă, constituind aproximativ 75% din masa barionică a Universului. La temperatură şi presiune atmosferică normală, hidrogenul este un gaz incolor, inodor, insipid, ne-toxic, ne-metalic, gaz diatomic extrem de combustibile cu formula moleculară H 2. Fireşte, hidrogenul atomic se găseşte foarte rar pe Pământ. Hidrogen sulfurat: H 2 S este un gaz incolor, foarte toxic, gaz inflamabil cu miros neplăcut caracteristic de ouă clocite. De multe ori rezultă din descompunerea bacteriană a materiei organice în absenţa oxigenului (digestie anaerobă). ibid.: (ibidem) este termenul utilizat pentru a da o citare sau o referinţă pentru o sursă care a fost citată imediat înainte. Igienizare: Igienizarea este o metodă de pre-tratare termică şi/sau prin presiune a materiei prime (deşeuri), pentru a reduce microorganismele patogene în materia primă. Injecţia în reţea: Injectarea biometanului în reţeaua de gaze naturale; echivalentrul pentru sectorul electric este feed-in (Alimentarea în reţea). Instalaţii de biogaz pe deşeuri: Instalaţiile de biogaz care utilizează deşeuri industriale sau municipale organice ca materie primă. Joule (J): Unitatea de măsură a energiei în sistemul metric, echivalent cu lucrul mecanic efectuat de către o forţă de un Newton aplicată pe o distanţă de un metru. 1 Joule (J) = 0,239 calorii, 1 calorie (cal) = 4,187 J. Kilowatt (kw): O măsură a puterii electrice sau puterii (capacităţii) termice egală cu 1000 waţi. Kilowatt-oră (kwh): Unitatea cel mai frecvent utilizată pentru energie. Aceasta reprezintă un kilowat de energie electrică sau termică furnizată timp de o oră. kw el : Putere (capacitate) electrică kwh: vezi Kilowatt-oră kw term : Capacitate (putere) termică 84

87 LBG: Biometan gaz lichefiat LNG: vezi Gaz Natural Lichefiat LPG: vezi Gaz Petrolier Lichefiat m³: Un metru cub este volumul unui cub 1x1x1 m. Un metru cub reprezintă aproximativ 1 t de apă. Material cu schimbare de fază (PCM): Un PCM este o substanţă cu o căldură mare de topire, care, prin topire şi solidificare, la o anumită temperatură, este capabil să stocheze şi să elibereze cantităţi mari de energie. Căldura este absorbită sau eliberată atunci când materialul trece de la solid la lichid şi vice-versa. Materie primă: Orice materie de intrare intr-un proces, care este transformată într-o altă formă sau produs. Metan: CH 4 este un gaz inflamabil, exploziv, incolor, inodor, insipid, care este puţin solubil în apă şi solubil în alcool şi eter; fierbe la ºC şi îngheaţă la C. Acesta este format în mlaştini şi bălţi din materie organică în descompunere şi este un pericol major de explozie în subteran. Metanul este un constituent major (cu până la 97%) al gazelor naturale şi este folosit ca o sursă de produse petrochimice şi drept combustibil. Acesta este un gaz combustibil în condiţii normale şi un gaz cu efect de seră relativ puternic. Metan sintetic: Metan produs în procesul Energie Electrică-în-Gaz. Micro-turbină pe gaz: Turbină cu combustie mică, cu o putere de la 25 la 500 kw. Microturbinele sunt compuse din compresor, combustor, turbină, alternator, recuperator şi generator. Comparativ cu alte tehnologii pentru pgenerarea de energie la scară mică, micro-turbinele oferă o serie de avantaje, printre care: un număr mic de piese în mişcare, dimensiuni compacte, greutate redusă, o mai mare eficienţă, emisii mai scăzute, costuri mai mici pentru energia electrică, potenţial pentru producţia de serie cu costuri mici şi oportunităţi de a utiliza combustibili din deşeuri. Mini-reţea: Un sistem local integrat de generare, transport şi distribuţie (al energiei electrice sau termice) care deserveşte numeroşi clienţi. mol: Molul este o unitate a SI folosită în chimie pentru a exprima cantităţi de substanţă chimică, definit ca acea cantitate de substanţă care conţine la fel de multe unităţi elementare (de ex. atomi, molecule, ioni, electroni), câţi atomi există în 12 grame de carbon pur. Acesta corespunde la o valoare de 6, (30) unităţi elementare ale substanţei. Motor cu combustibil dual: vezi Motor cu Injecţie Pilot pe gaz Motor Otto pe Gaz: Motor care este special conceput pentru utilizarea gazelor. Acestea funcţionează pe baza principiului Otto. Motor Pilot cu Injecţie: vezi Motor Pilot cu Injecţie pe Gaz Motor Pilot cu Injecţie pe Gaz: Motoarele Pilot cu injecţie pe gaz (numite şi motoare Pilot cu injecţie sau motoare cu combustibil dual) se bazează pe principiul motorului Diesel. Motor Stirling: Un motor Stirling este un motor termic ce funcţionează prin comprimare şi dilatare ciclică a aerului sau altor gaze, ca fluid de lucru, la diferite valori ale temperaturii, astfel încât are loc o conversie netă a căldurii în lucru mecanic. NH 3 : vezi Amoniac Nămol de epurare: Nămolul solid umed rămas după tratament la o staţie de epurare a apelor uzate. Nm³: În ţările care utilizează sistemul metric de unităţi de măsură SI, termenul de normal metru cub" (sau metru cub normal - Nm 3 ) este foarte des folosit pentru a desemna volume de gaz în anumite condiţii normalizată sau standard. Nu există un set universal acceptat de condiţii normale sau standard. În Germania, Nm 3 este volumul de gaz în următoarele 85

88 condiţii normale: 1,01325 bari, umiditate de 0% (gaz uscat), 0 C (DIN) sau 15 C (ISO). În România, condiţiile normale pentru Nm 3 sunt: 20 C şi 760 mmhg (760 torri = 1 atm = 1,01325 bari), la umiditate 0%, în fizică (şi termodinamică) şi 0 C şi 749,36027 torri (0,986 atm = 100 kpa = 1 bar), în chimie. O 2 : vezi Oxigen ODP: vezi Potenţial de Epuizare a Stratului de Ozon ORC: vezi Ciclu Rankine Organic Oxigen: La temperatură şi presiune atmosferică normală, doi atomi ai elementului se leagă, pentru a forma di-oxigen, un gaz diatomic albastru foarte deschis, inodor, insipid cu formula O 2. Acest compus reprezintă o parte semnificativă a atmosferei şi este necesar pentru a susţine viaţa terestră. Păsări de curte: sunt o categorie de păsări domestice ţinute de oameni pentru scopul colectării ouălor lor, sau sacrificării pentru carnea şi/sau penelor lor. PCM: vezi Material cu schimbare de fază Pilă de combustie: Un dispozitiv care converteşte energia unui combustibil direct în electricitate şi căldură, fără ardere. Potenţial de Epuizare a Stratului de Ozon (ODP): ODP-ul unui compus chimic este măsura relativă a degradării stratului de ozon pe care o poate cauza, în care trichlorofluorometanul (R-11 sau CFC-11) este considerat cu ODP de 1,0. Clorodifluormetanul (R-22), de exemplu, are un ODP de 0,055. CFC-11, sau R-11 are potenţialul maxim, printre chlorohidrocarbonaţi din cauza prezenţei a trei atomi de clor în moleculă. ODP este adesea utilizat în combinaţie cu potenţialul de încălzire globală a compusului (GWP), ca o măsură a modului în care acesta poate fi în detrimentul mediului. GWP reprezintă potenţialul unei substanţe de a contribui la încălzirea globală. Potenţial de încălzire globală (GWP): GWP este o măsură relativă a cât de multă căldură reţine în atmosferă un gaz cu efect de seră. Acesta compară cantitatea de căldură reţinută de o anumită cantitate din gazul în cauză, cu cantitatea de căldură reţinută de o cantitate similară de dioxid de carbon. Un GWP este calculat într-un interval de timp specific, de obicei 20, 100 sau 500 de ani. GWP este exprimat ca un factor de dioxid de carbon al cărui GWP este standardizat la valoarea 1. De exemplu, GWP-ul pe 20 de ani al metanului este de 72, ceea ce înseamnă că, dacă aceeaşi cantitate de metan şi dioxid de carbon au fost introduse în atmosferă, metanul va capta caldură de 72 de ori mai multă decat dioxidul de carbon pe urmatorii 20 de ani. Putere: Cantitatea de lucru mecanic efectuat sau de energie transferată pe unitatea de timp (definiţie în fizică), precum şi de electricitate din reţea (definiţie din sectorul energetic). Proces Kalina: Procesul sau ciclul Kalina este un proces termodinamic de conversie a energiei termice în energie mecanică utilă. Acesta foloseşte o soluţie de două fluide cu puncte de fierbere diferite pe post de fluid de lucru. Proces mezofil: Proces AD cu temperatura de 25 C 45 C Proces psihrofil: Proces AD cu temperatura sub 25 C. Proces termofil: Proces AD cu temperatura de 45 C 70 C. PSA: vezi Adsorbţie la Presiune Oscilantă Putere de încălzire: Cantitatea de căldură eliberată în timpul arderii unei cantităţi specificate a unui combustibil (biogaz, biometan). Raportul (Rata) de Eficienţă Energetică (EER): Raportul dintre producţia de frig şi consumul de energie electrică pentru o anumită sursă. 86

89 Răcire: Răcirea reprezintă transferul de energie termică prin radiaţie termică, conducţie termică sau convecţie, modificând astfel temperatura din sistemul dat de la temperaturi ridicate, la temperaturi mai scăzute. Răcire centralizată: Răcirea centralizată este un sistem de distribuţie de apă răcită sau de amestecuri apă/gheaţă de la o locaţie centralizată pentru răcire rezidenţială şi comercială precum aerul condiţionat. Reţea inteligentă: O reţea inteligentă este o reţea electrică care utilizează tehnologiile informaţionale şi alte tehnologii cu scopul de a regla cererea şi furnizarea în cel mai eficient mod. Reţelele inteligente sunt măsuri de îmbunătăţire a eficienţei energetice şi vor fi şi mai importante pentru astabilizarea reţelei datorită creşterii energiilor regenerabile. Schimbător de căldură: Dispozitiv construit pentru transferul eficient de căldură de la un fluid la altul, în care fluidele sunt separate printr-un perete solid, astfel încât niciodata să nu se amestece, sau fluidele sunt contactat direct. SI: Sistemul Internaţional de Unităţi de măsură (abreviat SI din limba franceza: Système International d'unités) este formularea modernă a sistemului metric şi este, în general, un sistem de unităţi de măsură conceput în jurul a şapte unităţi de bază şi prin convenirea numărului zece. Surplus de căldură: vezi Căldură reziduală Termodinamică: Termodinamica este ramura ştiinţelor naturale care se ocupă cu studiul căldurii şi relaţiei acesteia cu alte forme de energie şi lucru mecanic. Aceasta ia în considerare în principal modificările de temperatură, entropie, volum şi presiune care descriu proprietatile medii ale corpurilor materiale şi radiaţiilor şi explică modul în care acestea sunt legate şi prin ce legil se modifică ele în timp. Termoficare: Termoficarea reprezintă un sistem de distribuţie a energiei termice (prin intermediul apei fierbinţi sau aburului) generate la o locaţie centralizată pentru necesităţile de încălzire rezidenţială şi comercială, cum ar fi încălzirea spaţiului şi încălzirea apei. Turbină: O maşină pentru convertirea energiei termice din abur sau gaz cu temperatură ridicată, în energie mecanică. Într-o turbină, un flux de mare viteză de abur sau gaz trece prin rânduri succesive de lame radiale fixate pe un ax central. Turbină pe gaz (sin. Turbină cu combustie): O turbina care converteşte energia gazelor fierbinţi comprimate (produse prin arderea unui combustibil în aer comprimat) în energie mecanică. Combustibilul utilizat este de obicei gaz natural sau combustibil petrolier. Turbine cu gaze de ardere: Turbine cu gaz care utilizează o parte din gazele de ardere pentru producerea de energie suplimentară. Umezeală: Raportul dintre masa conţinutului de apă dintr-un material (biomasă) şi masa de materie uscată în sine. Umiditate: Umiditatea este un termen folosit pentru cantitatea de vapori de apă din aer Unitate CHP satelit: O unitate de generare combinată de energie termică şi electrică, care nu se află la locaţia instalaţiei de biogaz, ci în altă locaţie. Aceasta este conectată la instalaţia de biogaz printr-o conductă de biogaz. Vapori: Vaporii reprezintă o substanţă în fază de gaz la o temperatură mai mică decât punctul său critic. Acest lucru înseamnă că vaporii pot fi condensaţi într-un lichid sau solid, prin creşterea presiunii acestora, fără a se reduce temperatura. De exemplu, apa are o temperatură critică de 374 C (647 K), care reprezintă cea mai mare temperatură la care poate exista apa lichidă. În atmosferă la temperaturi obişnuite, prin urmare, apa gazoasă (cunoscută sub numele de vapori de apă), va condensa în lichid dacă presiunea sa parţială este suficient de crescută. Vaporii pot coexista cu un lichid (sau solid). Vapori de apă: Vaporii de apă reprezintă faza gazoasă a apei. Vezi Vapori 87

90 Watt (W): O unitate standard de măsură (în sistemul SI) pentru rata cu care energia este consumată de către un echipament sau rata cu care energia este transferată de la o locaţie la alta. Acesta este, de asemenea, unitatea standard de măsură pentru energia electrică. Termenul KW" vine de la "kilowatt" sau 1000 waţi. Termenul MW" vine de la "Megawatt" sau waţi. Zeolit: Minerale microporoase, de aluminosilicaţi utilizate în mod obişnuit ca absorbanţi comerciali. T: vezi Diferenţă de temperatură (Garadient termic) Unităţi generale de conversie Tabelul 13 Prefixe pentru unităţile de energie Prefix Abreviere Factor Cantitate Deca Da 10 Zece Hecto H 10² Sută Kilo K 10³ Mie Mega M 10 6 Milion Giga G 10 9 Miliard Tera T Trilion Peta P Cvadrilion Exa E Cvintilion 88

91 Tabelul 14 Conversia unităţilor pentru energie (kilo-joule, kilo-calorie, kilo-waţi oră, tonă de echivalent cărbune - TCE, metru cub de gaz natural, tonă equivalent petrol - toe, baril, Unitate Termică Britanică - BTU) kj kcal kwh TCE CH 4 m³ toe baril 1 kj kcal kwh TCE 29,308,000 7,000, , m³ CH 4 31,736 7, toe 41,868,000 10,000, , , baril 5, , , BTU Tabelul 15 Conversia unităţilor pentru putere (kilocalorii per secundă, kilowatt, cai putere Anglia - hp, Pferdestärke = cai putere DIN - PS) kcal/s kw hp PS 1 kcal/s 1 4,1868 5,614 5,692 1 kw 0, , , hp 0, , , PS 0,1757 0, , Tabelul 16 Conversia unităţilor de temperatură Un itate Celsius Kelvin Fahrenheit s Celsiu C - C = K C = ( F 32) 1.8 Kelvin K K = C K = ( F ) 1.8 Fahre nheit F F = C F = K

92 Tabelul 17 Conversia unităţilor de presiune (Pascal, bar, atmosferă tehnică, atmosferă standard, Torr, livre per inch pătrat - psi) Pa bar at atm Torr psi 1 Pa bar 100, at 98, atm 101, Torr psi

93 Bibliografie AlpEnergy (2012) Al Seadi, T., Rutz, D., Prassl, H., Köttner, M., Finsterwalder, T., Volk, S., Janssen, R. (2008). Biogas Handbook. Esbjerg, Denmark: University of Southern Denmark. Al Seadi T., Drosg b., Fuchs W., Rutz D., Janssen R. (2013, in print) Digestate quality and utilization. In: Wellinger A., Murphy J., Baxter D. (eds.) The biogas handbook: Science, production and applications. - Woodhead Publishing Series in Energy No. 52 BDEW (2009) Erdgas in Gärtnereien. - BDEW Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e. V.; Berlin, Germany; Berk J. (2008) Haltung von Jungmasthühnchen (Broiler, Masthähnchen). DLG Merkblatt 347; Frankfurt am Main, Germany; BMU (2012) Biomass Ordinance (BiomasseV) (as amended as of 1 January 2012); Federal Ministy for the Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety; Germany; Dena (2012) Deutsche Energie Agentur German Energy Agency [ ] DIRECTIVE 2004/8/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of 11 February 2004 on the promotion of cogeneration based on a useful heat demand in the internal energy market and amending Directive 92/42/EEC DLR (2012) /[ ] Dzene I., Rochas C., Rutz D., Janssen R., Ramanauskaite R., Kulisic B., Maras Abramovic J., Malek B., Devetta M., Surowiec M., Amann C., Leutgoeb K., Hinge J., Ofiteru A., Adamescu M., Fevrier N., Froning S. (2012) Development of Sustainable Heat Markets for Biogas Plants. - Proceedings of the 20th European Biomass Conference and Exhibition E-Energy (2012) Euroheat & Power: District Cooling The sustainable responseto Europe s risingcooling demands. Brochure; [ ] FNR (2010) Leitfaden Biogas: Von der Gewinnung zur Nutzung. - 5., vollständig überarbeitete Auflage, Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR); Gülzow, Germany; leitfaden_biogas_2010_neu.pdf[ ] FNR (2012) Bioenergy in Germany: Facts and Figures. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR); Gülzow, Germany; basisdaten_engl_web_neu.pdf[ ] Fraunhofer (2012) Gaderer M., Lautenbach M., Fischer T. (2007) Wärmenutzung in kleinen landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Bayerisches Landesamt für Umweltschutz (LfU), Augsburg, Germany; ] Grundfor (2012) 91

94 Hiegl W., Rutz D., Janssen R. (2011) Information Material Biomass Systems. Training Handbook for Sanitary and Heating Installers; WIP Renewable Energies, Munich, Germany; Academy for In-Service Teacher Training and Staff Development (ALP), Dillingen a.d. Donau, Germany; Report of the IEE Project Install+RES Karalus W. (2007) Ernte und Lagerungf von Getreide. - Sächsische Landesanstalt für Landwirtschaft; Dresden, Germany; r_2_kennwortschutz.pdf Kirchmeyr F., Anzengruber G. (2008) Leitfaden zur Wärmenutzung bei Biogasanlagen. ARGE Kompost und Biogas Österreich; Linz, Austria Kralemann M. (2007) Einleitung: Wärmenutzung in Biogasanlagen. - In: Schröder D. Wärmenetze an Biogasanlagen Ein Leitfaden. Fachkongress am 20 November 2007, Hitzacker; Region Aktiv Wendland/Elbtal; New Buildings Institute (1998) Guideline: Absorption Chillers. - New Buildings Institute; Fair Oaks; Canada; Paeger J. (2012) Ramanauskaite R., Rutz D., Bailon L., Dzene I., Vorisek T., De Filippi F., Amann S., Amann C., (2012): Good Practice Examples for Efficient Heat Use from Biogas Plants. - WIP Renewable Energies: Munich, Germany; Report elaborated in the framework of the BiogasHeat project (Contract Number: IEE/11/025) Rutz D., Janssen R. (2008) Biofuel Technology Handbook. - 2nd version; BIOFUEL MARKETPLACE Project funded by the European Commission (EIE/05/022); WIP Renewable Energies, Germany; 152p. Rutz D., Janssen R., Letsch H. (2006) Installateurs-Handbuch Biomasseheizanlagen. - EU- IEE EARTH Project; 241p. Rutz D., Janssen R., Hoffstede U., Beil M., Hahn H., Kulisic b., Jurić Z., Kruhek M., Ribic B., Haider p., Gostomska A., Nogueira M.A., Martins A.S., Martins M., do Céu Albuquerque M., Dzene I., Niklass M., Gubernatorova I., Schinnerl D., Ruszel m., Pawlak P. (2011) Organic Waste for Biogas Production in Urban Areas. - Proceedings of the 19th European Biomass Conference and Exhibition; pp ; ISBN ; DOI: /19thEUBCE2011-VP Rutz D., Janssen R., Ramanauskaite R., Hoffstede U., Hahn H., Kulisic B., Bosnjak R., Kruhek M., Ribic B., Surowiec T., Surowiec M., Nogueira M.A., Martins A.S., Duarte D., do Céu Albuquerque M., Martins M., Dzene I., Niklass M., Pubule J., Schinnerl D., Kalandyk k., Zapora D. (2012) The use of Bio-Waste for biomethane Production in European Cities. - Proceedings of the 20th European Biomass Conference and Exhibition; pp ; ISBN ; DOI: /20thEUBCE2012-3CO.2.2 Schröder D. (2007) Konzeption eines Wärmenetzes: Von Wärmeabfall zum wirtschaftlichen Nutzungskonzept. In: Schröder D. Wärmenetze an Biogasanlagen Ein Leitfaden. Fachkongress am 20 November 2007, Hitzacker; Region Aktiv Wendland/Elbtal; Schulz W., Heitmann S., Hartmann D., Manske S., Erjawetz S.P., Risse S., Räbiger N., Schlüter M., Jahn K., Ehlers B., Havran T., Schnober M., Leitfaden Verwendung von Wärmeüberschüssen bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Bremer Energie Institut; Bremen, Germany 92

95 Skagestad B., Mildenstein P. (no date) District Heating and Cooling Connection Handbook. International Energy Agency (IEA) District Heating and Cooling. n_on_district_heating_and_cooling.pdf[ ] Wiese G. (2007) Wärmeverluste: Vorsicht mit pauschalen Angaben! In: Schröder D. Wärmenetze an Biogasanlagen Ein Leitfaden. Fachkongress am 20 November 2007, Hitzacker; Region Aktiv Wendland/Elbtal; Worldwatch Institute (2012) [ ] 93

96