Analiza noilor tipuri de

biocombustibili obținuți din

biomasă

Cuprins

I. Introducere...............................................................................................................................2

II. Biocombustibili........................................................................................................................3

II.1. Biocombustibili regenerabili lichizi.....................................................................................3

II.1.1. Biometanol....................................................................................................................3

II.1.2. Biobutanol.....................................................................................................................4

II.1.3. Dimetil eter (DME).......................................................................................................5

II.1.4. Bio-oil...........................................................................................................................6

II.2. Biocombustibili regenerabili gazoși....................................................................................7

II.2.1. Biohidrogen...................................................................................................................7

II.2.2. Gaze captate din depozitele de deșeuri (Landfill gas)..................................................7

III. Concluzii...............................................................................................................................8

IV. Bibliografie...........................................................................................................................9

1

I. Introducere

Biomasa, clasificată ca și deșeu și rezultată în urma diferitelor activități antropice, este

un pericol major în vederea unei utilizări sustenabile a resurselor naturale – apă, aer, sol (Basnet,

1993). Aceste deșeuri sunt în mod normal în stare solidă, iar conceptul de deșeu sugerează un

material fără valoare și nedorit. Totuși multe din aceste deșeuri pot fi refolosite și prin urmare

pot deveni o sursă pentru producerea industrială de energie (Tchobanoglous, 2002). Tehnologiile

de transformare a deșeurilor biodegradabile în energie convertesc aceste deșeuri în diferite

forme de combustibili, ce pot fi folosiți să aducă un plus de energie (Demirbas, 2010). Aproape

780 de unități de transformare a deșeurilor biodegradabile în energie procesează aproximativ

140 de milioane de tone pe an în lumea întreagă (Michaels, 2007).

Energia poate proveni și din deșeuri biodegradabile care au fost tratate și comprimate în

combustibili solizi, de exemplu căldura și aburul provenite de din incinerarea deșeurilor.

Tehnologiile avansate de transformare a deșeurilor biodegradabile în energie pot fi folosite

pentru a produce biogas (metan sau CO2), gaze de sinteză (hidrogen și CO), biocombustibili

lichizi (etanol și biodiesel), sau hidrogen pur; aceste tipuri de combustibili pot fi transformate în

electricitate. Metodele utilizate în tehnologiile de transformare a deșeurilor biodegradabile în

energie sunt metodele termice, fizice și biologice. Deșeurile ce pot fi transformate în

combustibili sunt: lemne, culturile lemnoase de scurtă durată, deșeurile provenite din agricultură,

culturile erbacee cu rotație scurtă, deșeurile animale și o mulțime de alte materiale. Deșeurile

biodegradabile au cel mai mare potențial energetic și pot asigura necesarul de combustibil în

viitor. Deșeurile biodegradabile au cel mai mare potențial ca surse de energie regenerabilă, atât

pentru țările bogate, cât și pentru țările în curs de dezvoltare (Bakis, 2008; Balat, 2009). În țările

în curs de dezvoltare deșeurile biodegradabile reprezintă 35% din consumul de energie primară,

ducând bilanțul mondial la 14% din consumul de energie primară (Demirbas și colab., 2009;

Balat și colab., 2009).

Utilizarea combustibililor proveniți din deșeuri, aduce beneficii substanțiale în ceea ce

privește mediul înconjurător. Biomasa aboarbe CO2 în timpul creșterii, iar în timpul combustiei

2

îl emite. De aceea, biomasa ajută la reciclarea CO2 atmosferic și nu contribuie la efectul de seră

(Demirbas, 2005).

II. Biocombustibili

Termenul de biocombustibil sau cel de combustibil bioregenerabil se referă la

combustibilii solizi, lichizi sau gazoși, care sunt produși predominant din biomasă.

Biocombustibilii lichizi și gazoși au devenit mai atractivi în ultimul timp, datorită beneficiilor

legate de mediu. Biocombustibilii sunt nepoluanți, disponibili la nivel local, accesibili,

sustenabili și sunt obținuți din surse regenerabile. Electricitatea obținută din biocombustibili s-a

dovedit a fi o alternaativă promițătoare în viitorul apropiat. Viitorul electricității obținute din

biomasă depinde de tehnologiile integrate de gazeificare a biomasei (Demirbas, 2009).

Există câteva motive pentru care biocombustibili sunt considerați relevanți, atât pentru țările în curs de dezvoltare, cât și pentru cele industrializate. Printre acestea sunt cele legate de

securitatea energetică, problemele de mediu, importurile mai mici de energie, problemele socio-

economice (Demirbas și Dincer, 2009). În ultimii ani s-au realizat multe studii legate de

impactul biocombustibililor (bioetanol, biodiesel, biogaz și biohidrogen) asupra economiei si

mediului (Demirbas 2009; Balat și colab., 2009; Phalan 2009; Demirbas 2009; Demirbas 2010).

II.1. Biocombustibili regenerabili lichizi

II.1.1. Biometanol

Metanolul este produs în principal din gaz natural, dar biomasa poate fi de asemenea

gazeificată în metanol (biometanol). Gazeificare crează un gaz de sinteză (syngas), în care se

găsește H2 și CO. Gazul de sinteză arepotențialul de a produce o gama largă de combustibili

comercialiși chimicale, inclusiv diesel sintetic, metanol și alcooli inferiori, acid acetic, dimetil

eter (Demirbas, 2009). Biometanolul este produs din gazul de sinteză, utilizând gazeificarea

convențională a biomasei la temperaturi înalte (780 – 1000o C) și apoi sinteza catalitică a CO2 și

3

a H2, cu rată molară de 1:2, din amestecul de gaze produs, în condițiile unei presiuni ridicate (4-

10 MPa) (Oliveira și colab., 2009). Biometanolul poate fi produs din orice sursă regenerabilă ce

conține carbon, cum ar fi algele, lemne și deșeuri menajere. Aceasta este o alternativă

promițătoare, ce are o diversitate de posibilități de a produce combustibili cu beneficii

demonstrate legate de economie, mediu, consumatori (Demirbas, 2009). Deșeurile pot fi

transformate parțial în biometanol, iar randamentul de transformare este estimat a fi de 185 kg de

biometanol pe tona cubică de deșeu solid (Keskin și Emiroglu, 2009). Metanolul produs din

biomasa provenită din agricultură este mult mai scump decât metanolul produs din gaz natural.

Utilizarea biometanolului ca și combustibil pentru motoare a primit atenție în timpul

crizei țițeiului din anii ’70, datorită disponibilității si a costului scăzut (Balat, 2009). În

comparație cu benzina, biometanolul este superior ca și combustibil pentru motoare. Valorile

eficienței termice pentru motor sunt mai mari și nu sunt probleme cu emisiile de gaze.

Biometanolul este un combustibil excelent pentru motoarele cu compresie ridicată, datorită cifrei

octanice ridicate (106) (Corlett, 1975). O cifră octanică ridicată permite anumitor parametri ai

motorului, cum ar fi rata de compresie, supapa de sincronizare, să fie astfel modificați, încât să

crească puterea și economisirea combustibilului (Demirbas, 2009). Din perspectiva unității de

masă, bimetanolul are o valoare energetică mai mică decât benzina (Kar și Deveci, 2006). Ca și

combustibil, biometanolul este folosit, cel mai adesea, ca o combinație cu benzina, numită M85

(85% bimetanol și 15% benzină), deși poate fi utilizat și în formă absolută (M100) (Balat și

colab., 2009). Chiar dacă s-ar utiliza combustibilul M100 ca pentru motoarele fabricate pentru

benzină, totuși sunt necesare puține modificări ale motorului. Amestecul de combustibili trebuie

să fie preîncălzit și un mai este necesar și un rezervor mai mare. Aceste modificări sunt

rezultatul vaporizării ridicate a biometanolului, de trei ori mai mare decât a benzinei, și

conținutului în energie mai mic cu 50% (Weissermel și Arpe, 2004).

Metanolul este produs la scară foarte mare (aproximativ 35 x 106 t3/an). Aproximativ

30% este folosit pentru producerea formaldehidei și 30% pentru MTBE (metil-terț-butil eter).

Doar un mic procent este folosit ca și combustibil. În viitor rolul metanolului ca și combustibil

lichid poate crește considerabil (Van Swaaij și colab., 2004).

4

II.1.2. Biobutanol

Chiar dacă bioetanolul este în prezent candidatul prim pentru înlocuirea benzinei ca și

combustibil pentru motoare, totuși recent biobutanolul a câștigat teren în fața bioetanolului

(Nair și colab., 2008). Proprietățile enerfetice ale biobutanolului sunt considerate superioare

bioetanolului, datorită conținutului mai ridicat în energie și a unei rate aer-combustil mai bune.

Biobutanolul este mai puțin volatil și exploziv decțât benzina, are un puct de aprindere mai

ridicat și o presiune a vaporilor mai scăzută, ceea ce îl face mai sigur la utilizat (Pakkila și

colab., 2009).

Izobutanolul (un izomer al butanolului) poate fi combinat până la 15% din volum cu

petrolul, față de 10% cât este posibil pentru etanol (Kavalov, 2009). Pe de altă parte, butanolul

are o cifră octanică similară cu cea a petrolului și mai mică decât cea a etanolului, prin urmare

butanolul nu poate ajuta la creșterea cifrei octanice. Dezavantajul butanolului pare să fie

toxicitatea sa (Kavalov, 2009).

S-a estimat că annual se produc 10 – 12 bilioane de pounds, ceea ce înseamnă o piață de

7 – 8,4 bilioane de dolari la prețul de atunci. Butanolul are o expansiune a pieței proiectată de

3% pe an (Lee și colab., 2008). Pe langă utilizarea ca și combustibil, butanolul mai are multe

întrebuințări în industria chimică (emailuri, adezivi, elastomeri, textile, absorbanți, floculați, plastic).

La fel ca și bioetanolul, biobutanolul poate fi produs pe cale fermentativă sau

petrochimică. Prețurile din prezent ale petrolului au condus din nou la o rentabilizarea a

proceselor biotehnologice (Durre, 2007).

Biobutanolul poate fi produs din culturi anuale cum ar fi porumb, orez, orz și alte culturi

amidonoase. Costul substratului are cea mai mare influență asupra prețului biobutanolului.

Biobutanolul poate fi produs la prețul de 0,34 dolari/kg, din porumb cu prețul de 79,23

dolari/tonă (Qureshi și Blaschek, 2001).

II.1.3. Dimetil eter (DME)

În ultimul timp, dimetil eterul (DME), utilizat ca și combustibil, a primit o mare atenție

datorită ușurinței cu care poate fi transportat și a faptului că este un combustibil curat (Lee și

5

colab., 2008). DME poate fi depozitat în stare lichidă la presiune de 5-10 bari și temperatură

normală (Demirbas, 2010). DME are un număr cetanic ridicat și se aprinde ușor prin compresie

(Yao și colab., 2007). Numărul cetanic ridicat face ca DME să fie potrivit pentru utilizarea sa ca și combustibil pentru motoarele diesel. Conținutul de energie al DME e mai mic decât în cazul

motorinei. DME pot fi transformat eficient în hidrocarburi asemănătoare benzinei. Poate fi

utilizat direct ca și combustibil pentru motoare în amestec cu metanol sau ca aditiv la alți combustibili. Vâscozitatea DME este foarte mică, aproximativ 1/30 din cea a motorinei, iar

calitățile lubrifiante sunt slabe, de aceea este nevoie ca parțile componente ale motorului ce vin

în contact cu acest combustibil să fie tratate sau să se introducă în DME o anumită cantitate de

lubrifiant (Hewu și Longbao, 2002).

Avantajele DME față de motorina convențională sunt: zgomot de ardere mai mic, emisii

de noxe (CO, Nox și hidrocarburi) mai mici.

DME poate fi produs dintr-o gamă variată de surse printre care gaz natural, petrol, ulei

rezidual, cărbune, deșeuri biodegradabile, biomasă. Poate fi produs și din gaze de sinteză într-o

singură etapă în fază lichidă.

II.1.4. Bio-oil

Bio-oil este un combustibil lichid, regenerabil produs prin piroliza rapidă a biomasei,

având o valoare calorică scăzută 16 MJ/kg, în comparație cu motorina, 43 MJ/kg (Brammer și

colab., 2006).

Bio-oil poate fi produs dintr-o gamă variată de resurse forestiere, agricole, deșeuri,

inclusiv bagasa de la trestia de zahar, coji de orez, paie, coji de alune, coji de ovăz, paie de grâu și lemn. În America de Nord și în Europa, biooil este produs din deșeuri forestiere

(rumeguş, scoarţă de copac şi aşchii). În America Centrală și de Sud, Pacificul de Sud și cel

Caraibian, Australia, Asia și Africa este produs din bagasa de la trestia de zahar și din alte

deșeuri agricole. Bio-oil din lemn are o valoare calorică mai ridicată. Randamentele de obținere

a bio-oil din materialul lemnos variază între 72 – 80%, depinzând de cantitatea relativă de

celuloză și lignină din material.

6

În prezent bio-oil nu poate fi utilizat ca și combustibil pentru transport, datorită unor

dezavantaje: vâscozitate ridicată, caracterul acid, valoare calorică scăzută, conținut mare de apă și oxigen și incompatibilitate cu combustibili convenționali. Un proces de îmbunătățire a

proprietățiilor acestui combustibil este necesar (Vispute și Huber, 2009). Cercetările recente

legate de îmbunătățirea acestui combustibil sunt axate pe două căi tehnologice: hidrogenarea

catalitică și cracarea catalitică.

II.2. Biocombustibili regenerabili gazoși

Cei mai importanți combustibili gazoși regenerabili sunt biogazul, gazele captate din

depozitele de deșeuri, combustili gazoși rezultați în urma pirolizei și gazeificării biomasei,

combustibili gazoși rezultați în urma sintezei Fischer–Tropsch și biohidrogenul.

II.2.1. Biohidrogen

Biotehnologia producerii de hidrogen a atras o mare atenție în întreaga lume, datorită

faptului că procesul este prietenos cu mediul (Ren și colab., 2006). Cercetătorii au început să

urmărească producerea de hidrogen cu bacterii anaerobe încă din anii ’80 (Zoetmeyer și colab.,

1982; Morinaga și Kawada 1990; Nandi și Sengupta 1998).

O sursă regenerabilă ce poate fi folosită pentru producerea de H2 o reprezintă deșeurile

solide, organice, inclusiv deșeurile municipale și agricole. Totuși, producerea continuă a H2 are

unele limitări, una ar fi randamentul scăzut în producția de H2 chiar și atunci când s-au utilizat

zaharuri simple (Zheng, 2009). Producerea biohidrogenului poate fi realizată de către

microorganisme anaerobe și care folosesc fotosinteza pentru a metaboliza materialele nontoxice și bogate în carbohidrați. În condiții anaerobe, hidrogenul este sintetizat ca produs intermediar

în procesul de conversie a deșeurilor organice în acizi organici, care apoi sunt folosiți pentru

generarea metanului (Kapdan și Kargi, 2006).

7

II.2.2. Gaze captate din depozitele de deșeuri (Landfill gas)

Gaze captate din depozitele de deșeuri sunt produse atât în depozitele de deșeuri

întreținute, cât și în gropile de gunoi deschise. Componentele principale ale gazelor captate din

depozitele de deșeuri sunt reprezentate de produșii intermediari proveniți din descompunerea

materialului organic, cu ajutorul unei flore spontane, în condiții anaerobe (Demirbas, 2006).

Gazele captate din depozitele de deșeuri conțin în principal metan (aproximativ 50-60%), dar și

dioxid de carbon (aproximativ 40%) și mulți compuși organici volatili (VOCs) (Slack, 2005).

Datorită varietății de compoziției fiecărui depozit de deșeuri constituenții gazeleor captate

diferă foarte mult. Aceste gaze pot pot crea probleme cu mirosurile rezultate, pot distruge

vegetația de suprafață și în plus sunt și gaze cu efect de seră. O parte din compușii acestor gaze

pot produce coroziuni sau pot deteriora motoarele, dacă nu sunt îndepărtate înainte de utilizare.

Apele de la depozitele de deșeuri ce se infiltrează în pământ sau se scurg în alte ape de

suprafață trebuie să fie pretratate pentru se conforma standardelor de deversare în canal sau în

apele de suprafață. Tratarea acestor ape a primit o deosebită atenție în ultimii ani, în special în

zonele municipale (Uygur și Kargi, 2004). În țările membre UE, problema apelor provenite din

deșeuri a existat de o bună bucată de timp, dar nu s-a găsit o soluție universală.

III. Concluzii

Deșeurile sunt de obicei materiale solide, iar conceptul de deșeu sugerează un material

fără valoare și nedorit. Totuși multe din aceste materiale pot fi refolosite și pot devine o sursă

pentru producerea industrială de energie.

Tehnologiile avansate de transformare a deșeurilor biodegradabile în energie pot fi

utilizate pentru a produce biogaz (metan și CO2), gaze de sinteză (H2 și CO) și combustibi

lichizi (etanol și biodiesel) sau hidrogen pur; acești combustibili pot fi apoi transformați în

energie electrică.

8

Printre deșeurile biodegradabile ce sunt utilizate pentru a produce combustibili se pot

include și materialele lemnoase, culturile lemnoase de scurtă durată, deșeurile agricole, culturile

erbacee de scurtă durată, deșeuri animale și o mulțime de alte materiale.

Biomasa are un mare potențial, ce poate asigura necesarul de combustibil în viitor.

Utilizarea deșeurilor biodegradabile aduce beneficii substanțiale, din punct de vedere al

protecție mediului înconjurător.

IV. Bibliografie

1. Bakis R. Alternative electricity generation opportunities. Energy Sources A

2008;30:141–8.

2. Balat H. Prospects of biofuels for a sustainable energy future: a critical assessment.

Energy Educ Sci Technol A 2009;24:1–25.

3. Balat M, Balat M, Kırtay E, Balat H. Main routes for the thermo-conversion of biomass

into fuels and chemicals. Part 1: pyrolysis systems. Energy Convers Manage

2009;50:3147–57.

4. Balat M, Balat M, Kırtay E, Balat H. Main routes for the thermo-conversion of biomass

into fuels and chemicals. Part 2: gasification systems. Energy Convers Manage

2009;50:3158–68.

5. Balat M, Balat M. Political, economic and environmental impacts of biomassbased

hydrogen. Int J Hydrogen Energy 2009;34:3589–603.

6. Balat M. Global status of biomass energy use. Energy Sources A 2009;31: 1160–73.

9

7. Basnet K. Solid waste pollution versus sustainable development in high mountain

environment: a case study of Sagarmatha National Park of Khumbu region, Nepal.

Contrib Nepalese Stud 1993;20:131–9.

8. Brammer JG, Lauer M, Bridgwater AV. Opportunities for biomass-derived ‘‘bio-oil’’ in

European heat and power markets. Energy Policy 2006;34:2871–80.

9. Corlett RF. Conversion of Seattle’s solid waste to methanol or ammonia. In: The trend in

engineering. University of Washington; 1975.

10. Demirbas A, Balat M. Wastes to energy. Future Energy Sources 2010;2:1–63.

11. Demirbas A, Dincer K. Sustainable green diesel: a futuristic view. Energy Sources A

2008;30:1233–41.

12. Demirbas A. Biogas production from the organic fraction of municipal solid waste.

Energy Sources A 2006;28:1127–34.

13. Demirbas A. Fuel and combustion properties of bio-wastes. Energy Sources A

2005;27:451–62.

14. Demirbas A. Social, economic, environmental and policy aspects of biofuels. Energy

Educ Sci Technol B 2009;1:75–109.

15. Durre P. Biobutanol: an attractive biofuel. Biotechnol J 2007;2:1525–34.

16. Hewu W, Longbao Z. Performances of direct injection diesel engine fueled with

DME/diesel blend fuel. In: Proceedings of the conference ‘‘better air quality in Asian and

Pacific Rim cities (BAQ 2002)’’, Hong Kong, SAR; December 16–18, 2002.

17. Kapdan IK, Kargi F. Bio-hydrogen production from waste materials. Enzyme Microb

Technol 2006;38:569–82.

18. Kar Y, Deveci H. Importance of P-series fuels for flexible-fuel vehicles (FFVs) and

alternative fuels. Energy Sources A 2006;28:909–21.

19. Kavalov B. Market perspectives for products from future energy-driven biorefineries by

2020. JRC scientific and technical reports, European Commission, Office for Official

Publications of the European Communities, Luxembourg; 2009.

20. Keskin A, Emiroglu AO. Catalytic reduction techniques for post-combustion diesel

engine exhaust emissions. Energy Educ Sci Technol A 2010;25:87–103.

10

21. Lee MC, Seo SB, Chung JH, Joo YJ, Ahn DH. Combustion performance test of a new

fuel DME to adapt to a gas turbine for power generation. Fuel 2008;87:2162–7.

22. Lee SY, Park JH, Jang SH, Nielsen LK, Kim J, Jung KS. Fermentative butanol

production by clostridia. Biotechnol Bioeng 2008;101:209–28.

23. Michaels T. The 2007 IWSA directory of waste-to-energy plants. Integrated Waste

Services Association, Washington, DC; October 27, 2007.

24. Morinaga T, Kawada N. The production of acetic acid from carbon dioxide and hydrogen

by an anaerobic bacterium. J Biotechnol 1990;14:187–94.

25. Nair NU, Shao Z, Zhao H, Sullivan RP, McLachlan M, Johannes T, et al.. Biobutanol

from yeast: a synergistic genome and protein engineering approach. In: The 2008 AIChE

annual meeting, Philadelphia, PA; November 16–21, 2008.

26. Nandi R, Sengupta S. Microbial production of hydrogen—an overview. Crit Rev

Microbiol 1998;24:61–84.

27. Oliveira LS, Franca AS. From solid biowastes to liquid biofuels. In: Ashworth GS,

Azevedo P, editors. Agricultural wastes. Hauppauge (NY, USA): Nova Science

Publishers Inc.; 2009.

28. Pakkila JM, Hillukkala T, Myllykoski L, Keiski RL. An anaerobic bioreactor system for

biobutanol production. In: Paukkeri A, Yla-Mella J, Pongracz E, editors. Energy research

at the University of Oulu. Proceedings of the EnePro conference, June 3. Kalevaprint

(Oulu, Finland): University of Oulu; 2009. p. 17–20.

29. Phalan B. The social and environmental impacts of biofuels in Asia: an overview. Appl

Energy 2009;86:S21–9.

30. Qureshi N, Blaschek HP. ABE production from corn: a recent economicevaluation. J Ind

Microbiol Biotechnol 2001;27:292–7.

31. Ren N, Li J, Li B, Wang Y, Liu S. Biohydrogen production from molasses by anaerobic

fermentation with a pilot-scale bioreactor system. Int J Hydrogen Energy 2006;31:2147–

57.

32. Slack RJ, Gronow JR, Voulvoulis N. Household hazardous waste in municipal landfills:

contaminants in leachate. Sci Total Environ 2005;337:119–37.

11

33. Tchobanoglous G, Kreith F, Williams ME. Introduction. In: Tchobanoglous G, Kreith F,

editors. Handbook of solid waste management. New York: McGraw- Hill; 2002.

34. Uygur A, Kargi F. Biological nutrient removal from pre-treated landfill leachate in a

sequencing batch reactor. J Environ Manage 2004;71:9–14.

35. Van Swaaij WPM, Kersten SRA, Van den Aarsen FG. Routes for methanol from

biomass. In: International 2-day business conference on sustainable industrial

developments, Delfzijl, Netherlands; April 21–22, 2004.

36. Vispute TP, Huber GW. Production of hydrogen and alkanes by aqueous phase

processing of aqueous fraction of bio-oil. Department of Chemical Engineering,

University of Massachusetts-Amherst, USA; 2009.

<http://www.nam.confex.com/nam/2009/webprogram/Paper1717> [accessed February

2010].

37. Weissermel K, Arpe HJ. Industrial organic chemistry. Weinheim (Germany): Wiley-

VCH; 2004.

38. Yao M, Huang C, Zheng Z. Multidimensional numerical simulation on dimethyl

ether/methanol dual-fuel homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine

combustion and emission processes. Energy Fuels 2007;21:812–21.

39. Zheng H, O’Sullivan C, Mereddy R, Zeng RJ, Duke M, Clarke W. Production of bio-

hydrogen using a membrane anaerobic reactor: limitations due to diffusion. In:

Proceedings of the environmental research event 2009, Noosa Heads, Queensland,

Australia; May 10–13, 2009.

40. Zoetmeyer J, Matthijsen AJCM, Van Den Heuvel JC, Cohen A, Boelhouwer C.

Anaerobic acidification of glucose in an upflow reactor. Biomass 1982;2:187–99.

12