Energie, poluare si schimbari climatice

Liviu. D. Boboș

Oana Al. Rusu

Liviu M. Mogoș

Iuliu. O. Marian

1

Cuprins:

1. Aspecte fundamentale

1.1. Conceptul de energie

1.2. Resursele energetice

1.3. Conservarea energiei

2. Conversia si stocarea energiei

2.1. Conversia energiei

2.2. Stocarea energiei

3. Resurse de energie conventionala

3.1. Lemnul

3.2. Carbunii

3.2.1. Formare si compozitie

3.2.2. Clasificarea carbunilor din Romania

3.2.3. Reserve de carbuni si repartitia lor geografica

3.2.4. Industrializarea carbunilor

3.3. Titeiul

3.3.1. Originea si compozitia titeiului

3.3.2. Clasificare si reserve de titei

3.3.3. Prelucrarea si utilizarea titeiului

3.3.4. Poluarea cu titei

3.4. Gazele naturale

3.4.1. Origine si proprietati

3.4.2. Reserve de gaze naturale

4. Impactul arderii combustibililor asupra mediului , in general si climei , in special

5. Resurse de energie neconventionale

5.1. Energia nucleara

5.1.1. Surse de energie nucleara. Dezintegrarea atomica

5.1.2. Fisiunea nucleara

5.1.3. Fuziunea nucleara

5.2. Energia hidraulica

5.3. Energia solara

5.3.1. Dispozitive de captare a energiei solare

5.3.2. Energia solara in europa2

5.4. Energia eoliana

5.4.1. Tipuri de eoliene

5.4.2. Importanta eolienelor

5.5. Biomasa

5.5.1. Resurse de biomasa

5.5.2. Forme de stocare a biomasei

5.5.3. Cai de valorificare a biomasei

5.6. Pile de combustie microbiene

Bibliografie

3

1. ASPECTE FUNDAMENTALE

1.1. Conceptul de energie

Energia este unul dintre cele mai importante concepte fizice descoperite de om. Înţelegerea

corectă a noţiunii de energie constituie o condiţie necesară pentru analiza proceselor energetice.

Termenul de energie este de origine greacă şi este folosit pentru întâia oară de către Kepler, în sensul de

putere emanată de corpuri. În sensul actual este introdus în literatura ştiinţifică de către Thomas Young

în anul 1907. Cea mai cuprinzătoare definiţie a energiei s-ar putea enunţa astfel: capacitatea unui sistem

fizic de a efectue lucru mecanic la trecerea dintr-o stare în alta.

Se acceptă ideea că Universul există sub două forme: de materie şi câmp de forţe. Materia este

caracterizată prin două mărimi fundamentale: masa şi energia. Masa este măsura inerţiei şi gravitaţiei.

Energia defineşte calitatea schimbărilor şi proceselor care au loc în Univers, începând cu deplasarea în

spaţiu şi terminând cu gândirea.

Filozofic vorbind, energia se prezină ca un cristal cu mai multe faţete. Cristalul este ansamblul

acestor faţete, iar nici o faţetă luată singură, nu îl poate explica. Principalele faţete ale energiei sunt de

natură fizică, matematică, tehnologică, sociologică, politică şi, nu în ultimul rând, ecologică.

În fizica clasică se defineşte energia cinetică şi energia potenţială. Energia cinetică a unei

particule de masă m care se mişcă cu viteza v este:

Ec = mv2/2

Valoarea energiei potenţiale într-un punct situat la înălţimea h deasupra pământului se defineşte :

Ep = mgh,

unde g-acceleraţia gravitaţională.

În termodinamică, cele mai importante mărimi prin care este caracterizată energia unor sisteme,

sunt energia internă, entalpia, energia libera, entalpia libera.

Energia internǎ - se noteză cu U şi diferă de la o substanţă la alta. Toate corpurile posedă

energie internă, care se acceptă a fi suma energiilor cinetică, datorată agitaţiei termice a atomilor şi

moleculelor; potenţială, cuantică, ca de exemplu cea de legătură a atomilor din molecule, nucleară,

datorată interacţiunii nucleonilor.

Mai mult decât valoarea absolută este studiat transferul ei de la un sistem la altul, cele mai

importante forme de transfer fiind lucrul mecanic de volum, W si căldura, Q.

Lucrul mecanic de volum pentru un proces finit este definit ca produsul:

W= -p∆V,4

unde p- presiunea sistemului; ∆V- variaţia de volum care se calculează cu relaţia: ∆V=V2-V1,

unde indicele 1 se referă la starea iniţială, iar indicele 2 la starea finală a sistemului care suferă

transformarea. Pentru lucru elementar se foloseşte diferenţiala: ΔW= -p∆V. Semnul minus arată că

atunci când volumul creşte, dV>0, sistemul cedează lucru mecanic în exterior, adică mediului, dW < 0

(prin mediu, în acest paragraf se intelege zona cu care un corp sau un sistem vine efectiv în contact şi

interacţionează).

Căldura este o altă formă sub care un sistem poate primi sau ceda energie, adică poate să-şi

mărească sau să-şi diminueze valoarea energiei interne. Relaţia matematică care leagă valoarea energiei

interne de a căldurii şi a lucrului mecanic de volum, pentru un proces finit, este:

∆U=Q+W

Înlocuind valoarea lucrului mecanic de volum, din relaţia de mai sus, obţinem:

∆U=Q- p∆V

La volum constant ∆V=0, valoarea energiei interne a unui sistem este egală cu valoarea căldurii

acestuia. Reiese logic că valoarea energiei interne va creşte când sistemul absoarbe căldura şi va scădea

când acesta degajă căldura.

Entalpia

Majoritatea fenomenelor se petrec la presiune constantă. Pentru a simplifica calculele s-a introdus

o nouă funcţie de stare, entalpia, notată H şi egală cu:

H=U+pV

unde, pV reprezintă termenul de corecţie pentru lucru mecanic efectuat de sistem ca să-şi ocupe volumul

pe care-l are la dispoziţie, la presiunea de lucru (care de obicei este 1 atm).

Prin diferenţierea relaţiei se obţine:

dH=dU+pdV+Vdp

Se poate observa conform relatiei de mai sus, ca:

dU+pdV=dQ

dH= dQ+Vdp

La presiune constantă (dp=0), entalpia unui sistem este egală cu valoarea căldurii. Rezultă logic

că la presiune constantă, toată căldura primită va duce la creşterea entalpiei sistemului. Pentru un proces

finit, între stările 1 şi 2, căldura procesului va fi egală cu diferenţa dintre valorile entalpiei în cele două

stări:

Qp=∆H=H2-H1

De obicei se lucrează cu variaţia de entalpie. Este util să subliniem faptul că s-a convenit ca

valoarea entalpiei molare a substanţelor simple, în condiţii standard, este egală cu zero, iar valoarea 5

entalpiei de formare este egală cu căldura degajată sau absorbită când se obţine un mol de substanţă din

elementele componente.

Energia liberă

Se mai numeşte şi energie Helmholtz, se notează cu F şi este egală cu:

F = U −TS

unde: U reprezintă energia internă, iar TS reprezintă energia legată.

Se mai numeşte si energie latentă deoarece poate fi schimbată cu exteriorul numai sub formă de

căldură. Pe baza produsului TS putem afirma că entropia, S, măsoară capacitatea sistemului de a

înmagazina energie legată.

Exprimând energia internă vom obţine:

U = F +TS

Relaţia ne arată că energia internă este egală cu suma dintre energia liberă şi energia legată. În

funcţie de energia liberă putem stabili criteriile de evoluţie şi de echilibru a unor procese fizice şi

reacţii deosebit de importante şi în procesele de obţinere a energiei. În acest scop vom căuta relaţii în

care intervin mărimile ce definesc energia liberă şi care ne dau şi criteriile de evoluţie şi de echilibru:

Energia internă, U apare în expresia principiului întâi al termodinamicii

dU = dQ +dW

Entropia, S apare în expresia principiului doi al termodinamicii

dS ≥ dQ∕ T

Pornind de la aceste relaţii şi adminţând că se efectuează numai lucrul de volum, vom stabili

criteriul de evoluţie şi echilibru în funcţie de energia liberă:

dW = −pdV,

înlocuim dW în expresia principiului întâi

dU = dQ −pdV

exprimăm dQ

dQ = dU +pdV

înlocuim dQ în expresia principiului doi

dQ ≤ TdS

dU + pdV ≤ TdS

grupăm termenii astfel încât să-i putem înlocui cu F

dU −TdS ≤ −pdV

d( U −TS)T ≤ −pdV

Precizare: trebuie la T = constant deoarece6

d(U−TS) = dU −TdS −SdT

Pentru a avea expresia de sus, trebuie ca termenul SdT = 0, ceea ce este posibil când

temperatura este constantă. Dacă impunem şi condiţia ca volumul să fie constant, dV = 0, vom obţine:

dFT,V≤ 0

Interpretare: la temperatura şi volum constant (adică în condiţii izoterme, izocore) au loc în mod

spontan acele procese în cursul cărora valoarea energiei libere este mai mică decât zero. La echilibru

valoarea acesteia este egală cu zero.

Entalpia liberă

Se mai numeşte şi energie Gibbs, se notează cu G şi este egală cu:

G = H −TS

unde: H reprezintă entalpia, iar TS energia legată

Printr-un raţionament similar cu cel de la energia liberă, vom căuta relaţii în care

mărimile ce definesc entalpia liberă şi care ne dau şi criteriile de evoluţie şi echilibru:

valoarea entalpiei

H = U +pV

exprimăm dH

dH = dU +pdV +Vdp

conform principiului întâi

dU = dQ +dW

admitem că se efectuează numai lucru de volum

dW = −pdV

înlocuim în expresia principiului întâi

dU = dQ −pdV

exprimăm valoarea lui dQ

dQ = dU +pdV

înlocuim această valoare în expresia lui dH

dH = dQ +Vdp

exprimăm dQ în funcţie de dH

dQ = dH −pdV

înlocuim această valoare în expresia principiului doi al termodinamicii

dS ≥ dQ/ T

exprimăm dQ

dQ ≤ TdS7

grupăm termenii pentru a avea expresia entalpiei libere

dH −TdS ≤ Vdp

d(H −TS)T ≤ Vdp

De ce trebuie ca valoarea temperaturii să fie constante s-a explicat în paragraful energia liberă.

Dacă punem condiţia ca şi presiunea să fie constantă, dp=0, vom obţine:

dGp ≤ 0

Interpretare: la temperatură şi presiune constantă (adică în condiţii izoterme, izobare) procesele

decurg spontan când valoarea entalpiei libere este negativă. La echilibru valoarea este zero. Energia şi

entalpia liberă ca şi criterii ale spontaneităţii proceselor sunt denumite şi afinitate chimică.

A = ΔF = ΔU −TΔS pentru procesele care au loc în condiţii izoterme, izobare

A = ΔG = ΔH −TΔS pentru procesele care au loc în condiţii izoterme, izocore

Interpretarea relaţiilor:

afinitatea chimică este o măsură a reactivităţii substanţelor

pentru reacţii spontane A<0 iar la echilibru A=0

când ΔS sau temperatura sunt foarte mici, afinitatea este egală cu căldura de reacţie (energia

internă în condiţii izocore, respectiv entalpia în condiţii izobare). Aşadar vor decurge spontan

reacţiile pentru care valoare căldurii de reacţie este negativă (reacţiile exoterme)

în realitate există reacţii chimice şi procese fizice care pot decurge spontan, deşi sunt

endoterme; explicaţia putându-se da pe baza relaţiilor de definiţie a afinităţi, şi anume:

│TΔS│>│ΔU│sau│TΔS│>│ΔH│

1.2. Resursele energetice

Cea mai des întâlnită formă de energie înainte de “Revoluţia Industrială” din sec al XVIII-

lea era energia termică, a cărei sursă principală era lemnul. În ţările în curs de dezvoltare lemnul

uscat este încă o importantă sursă de energie termică. Odată cu dezvoltarea ţărilor sărace, locul

lemnului este luat de cărbuni, petrol şi gazele naturale substanţe cunoscute sub numele de

combustibili fosili. În sec. al XIX-lea cărbunele a devenit sursa principală de energie în ţările aflate

în curs de industrializare. Trenurile, vapoarele erau alimentate cu cărbune şi cocs, obţinut prin

arderea cărbunelui la temperaturi foarte ridicate, fiind folosit şi în prelucrarea fierului şi a oţelului.

Datorită problemelor ridicate de transportul cărbunilor în primii ani ai revoluţiei industriale, oraşele

industriale se dezvoltau mai ales în jurul bazinelor carbonifere, cum ar fi: Selby şi Cardiff din Ţara

Galilor. Odată cu apariţia petrolului şi a gazelor naturale, care erau mai uşor de transportat industria 8

se putea dezvolta oriunde. Aproximativ 90% din energia destinată populaţiei este furnizată de

combustibilii fosili, restul fiind acoperit de energia nucleară şi energia produsă de hidrocentrale.

Cărbunele este încă folosit în industria prelucrătoare de oţel şi pentru producerea de energie

electrică în toate statele lumii. Deoarece este foarte poluant, producând ploi acide şi efect de seră

folosirea sa în unele ţări ale lumii tinde să fie înlocuită cu gazul natural, care este mai ieftin şi mai

puţin poluant. După anul 1990, producţia de cărbune a început să crească din nou datorită apriţiei

filtrelor care reduc poluarea. Mai importantă este dezvoltarea ţărilor, mai ales a celor din America

Latină şi din Asia, ceea ce a dus la o continuă creştere a cererii de cărbune. Spre exemplu Japonia

este cel mai mare importator de cărbune din lume şi China este lider mondial atât în producerea cât

şi în consumul de cărbune.

In anul 2007 resursele folosite pentru producerea energiei mondiale totale: țiței 35%,

cărbune 29%, gaze naturale 24%, resurse regenerabile 6% , energie nucleara 6%. Tot in anul 2007

pentru producerea energiei totale in tarile uniunii europene sa folosit titeiul 40%, carbune 18%, gaze

naturale 24%, resurse regenerabile 5%, energie nucleara 18%.

Combustibilii fosili nu sunt surse de energie nelimitate sau uşor regenerabile, dar sunt

extrase mult mai repede decât se pot forma noi zăcăminte. Pe viitor se prevede o scădere continuă a

acestor resurse ajungâdu-se până la epuizarea totală a zăcămintelor. În anii ’90 experţii prevedeau

că petrolul, în cantităţile în care se exploatează în zilele noastre, va mai alimenta consumul mondial

încă 43 de ani. Rezervele de gaze naturale vor fi suficiente pentru încă 66 de ani, iar cele de cărbune

pentru încă 236 de ani, dacă extracţiile se menţin la cotele actuale. Aceste previziuni sunt relative

deoarece ritmul de extracţie este variabil şi mereu se descoperă noi şi noi zăcăminte. Odată cu

diminuarea resurselor energetice fosile, costul lor va creşte şi astfel se recurge la noi surse de

energie, cum ar fi energia produsă de hidrocentrale, energia nucleară şi alte surse asupra cărora se

mai efectueză încă cercetări.

Aproximativ 18% din energia mondială este produsă de hidrocentrale. Energia apelor este

folosită încă din antichitate fiind transformată de strămoşii noştri cu ajutorul unor roţi în energie

cinetică. Centralele hidroenergetice moderne folosesc baraje şi rezervoare mari care pot fi construite

în ţările în care există cursuri de ape ce trec prin pante abrupte.

Barajul Aswan din Egipt adună apa fluviului Nil în lacul Nasser, unul dintre cele mai mari

lacuri de acumulare din lume, în timp ce amenajarea terminată în 1972 din munţii “Snowy” este

situată într-o zonă din cel mai înalt punct din Australia.

Apa este o sursă foarte ieftină şi continuă de energie. Este o sursă nepoluantă de energie,

chiar dacă se crede că vegetaţia de pe fundul lacurilor de acumulare produce o mare cantitate de 9

gaze ce contribuie la sporirea efectului de seră. Construirea de baraje duce de multe ori la

distrugerea unor ecosisteme aşa cum este cazul barajului Three Gorges de pe fluviul Yangzi din

China care va duce la mutarea a peste un milion de oameni până la terminarea acestuia.

Folosindu-se de cercetările asupra bombei atomice din 1945, multe ţări şi-au dezvoltat în

timp centrale nucleare, care furnizeză o cantitate uriaşă de energie dintr-o cantitate mică de

combustibil. Astăzi energia nucleară constituie 17% din totalul de energie electrică la nivel

mondial. În 1996 un raport constata că existau 437 de reactoare în 31 de ţări. Acestea acopereau

consumul intern de energie în proporţie de 87% in Lituania, 78% în Franţa, 58% în Belgia şi 53% în

Suedia. Centralele nucleare au şi dezavantaje cum ar fi faptul că au nevoie de peste 10 ani pentru a

fi construite, costurile de construcţie şi de producere a energiei, deşi variabilele de la o ţară la alta

sunt foarte mari, şi produc o serie de deşeuri radioactive foarte nocive pentru mediul înconjurător şi

pentru oameni. Accidentul nuclear de la Cernobâl din 1986 a umbrit industria producătoare de

energie nucleară, provocând proteste în masă, care au dus la închiderea unor astfel de centrale.

Cercetările se axează pe descoperirea şi exploatarea altor surse inepuizabile de energie, cât

mai puţin poluante şi cât mai puţin costisitoare, cum ar fi energia solară, eoliană, energia

geotermală, etc. Relativa nerentabilitate a acestor surse de energie este dată pe moment de costurile

relativ mari, dar scăderea drastică a combustibililor fosili va duce la o mai intensă valorificare pe

viitor a acestor tipuri de energie.

Energia solară este folosită în unele state cum ar fi Africa, Statele Unite ale Americii

pentru alimentarea cu energie electrică a unor locuiţe, dar pe scară mică deocamdată. Ea mai este

folosită pentru alimentarea sateliţilor artificiali, a staţiilor cosmice, a calculatoarelor, ceasurilor, etc.

Un număr de companii s-au unit după anii ’70 într-o asociaţie multinaţională, ce sprijină

valorificarea energiei solare.

O altă sursă de energie este energia eoliană, care se poate capta cu ajutorul unor elici ce pun

în mişcare o serie de turbine.

1.3. Conservarea energiei

Conceptul de conservare a energiei a rezultat din reconsiderarea modului de abordare a

problemelor energetice. După cum e şi firesc, economisirea energiei costă mai puţin decât

producerea ei.

Efectele principale ale conservării energiei sunt:

diminuarea investiţiilor în domeniul energetic10

reducerea cheltuielilor pentru consumul de energie în toate sectoarele de activitate

creşterea competivităţii produselor fabricate

micşorarea impactului ecologic determinat de producerea energiei.

Avantajele pe care le aduce conservarea energiei se răsfrâng, în final, asupra întregii

omeniri, ceea ce justifică implementarea soluţiilor care contribuie la optimizarea consumului de

energie.

Principalele căi de conservare a energiei sunt:

Creşterea randamentelor proceselor energetice şi reducerea consumului de energie, ce

trebuie realizat în toate sectoarele. Astfel: în industrie, trebuie modernizate arzătoarele,

schimbătoarele de căldură, motoarele electrice, compresoarele, prin utilizare de materiale noi,

îmbunătăţirea izolării termice, introducerea de tehnologii noi, care necesită consumuri mai mici de

energie. In transport, pentru reducerea consumului de combustibil al autovehiculelor s-a acţionat

asupra tuturor componentelor ce pot contribui la atingerea acestui scop: forma exterioară, pentru

reducerea rezistenţei aerului la înaintare, micşorarea greutăţii, prin folosirea de materiale plastice şi

composite, îmbunătăţirea rulajului, prin utilizarea unor cauciucuri speciale. In sectorul domestic,

pentru scăderea consumului de energie pentru încălzire se asigură o izolaţie termică

corespunzătoare pe de o parte, iar pe de altă parte se folosesc geamuri şi uşi cât mai etanşe. Pentru

clădirile noi se studiază circulaţia căldurii şi a aerului, atât în perioada de iarnă, pentru încălzire, cât

şi cea de vară, pentru condiţionarea aerului. Este posibilă micşorarea consumului de energie

electrică atât la aparatele de uz casnic (frigidere, congelatoare, maşini de spălat, etc.) cât şi la

iluminat. În acest sens s-au introdus în circuit aparate cu “clasă energetică” îmbunătăţită, la care

consumul de energie electrică este redus, iar pentru iluminat s-au introdus becurile fluorescente.

Cea mai răspândită formă de producere simultană a mai multor forme de energie, constă în

producerea de energie electrică şi termică, în centralele de termoficare. În acest scop, turbinele cu abur

prevăzute cu robineţi, prin care se poate prelua o cantitate de abur, care se utilizează la încălzire. Înainte

de 1989 a reprezentat şi pentru ţara noastră principala cale de conservare a energiei.

Resursele energetice secundare combustibile pot fi atât în stare gazoasă cât şi lichidă sau solidă şi

reprezintă orice produs secundar sau reziduu, care poate fi utilizat la obţinerea de energie prin combustie

(gaze de furnal, de cocs, gazele de la rafinării, gudroane, etc.). Resursele energetice secundare termice

constau în gaze sau lichide evacuate din diferite procese industriale, la temperaturi ridicate. Aceste

resurse energetice secundare mecanice se referă, de exemplu la energia de presiune a gazelor în staţii de

decomprimare sau energia standurilor de încercare a motoarelor.

11

Deşeurile reciclate pot fi folosite pentru producerea de bunuri cu un consum de energie mult mai

mic faţă de cazul utilizării materiei prime clasice. Pe lângă economia de energie sunt şi alte avantaje ale

folosirii deşeurilor, ca de exemplu: economisirea materiilor prime şi reducerea suprafeţei de depozitare a

deşeurilor, care reprezintă în prezent o problemă acută de mediu. Eficienţa maximă a reciclării deşeurilor

se obţine atunci când sunt sortate de către cei ce le produc şi colectate diferenţiat.

12

2. CONVERSIA ŞI STOCAREA ENERGIE

2.1. Conversia energiei

Se desting două mari categorii de tehnologii folosite în conversia de energie: indirecte si directe.

Indirecte

Fotosinteza este procesul complex care consta in sinteza substanţelor organice

(glucide, lipide, proteine) din substanţe anorganice folosindu-se ca sursa de energie energia luminoasa

cu ajutorul pigmenţilor clorofilieni. Principalele organisme fotosintetizante sunt plantele verzi

superioare. Frunzei acestora, specializata in realizarea fotosintezei, ii sunt necesare următoarele

condiţii: aprovizionarea cu apa, săruri minerale si dioxid de carbon; existenta pigmenţilor fotosinte

tizanţi (clorofilieni) pentru captarea si conversia energiei solare in energie chimica, înglobata in

substanţele organice produse cu eliberarea in atmosfera a oxigenului.

Turbinele care pot fi cu aburi (de termoficare sau de condensaţie) sau cu gaze.

În cazul turbinelor cu aburi combustibilul este ars în cazanul cu aburi. Aburul rezultat la

presiune şi temperatura ridicată destinde turbina imprimând o mişcare de rotaţie rotorului turbinei.

Acesta se afla în legătură directă cu rotorul generatorului, transmițându-i acestuia o mişcare de rotaţie

(căldura este transformată în lucru mecanic). Generatorul transformă lucrul mecanic în energie

electrică. La ieşirea din turbină aburul este condensat şi reintrodus in ciclu.

În cazul turbinei cu gaz, aerul comprimat este introdus în camera de ardere împreună cu gazul

natural (CH4) unde are loc arderea. Gazele rezultate cu temperaturi mari şi presiuni ridicate sunt

introduse în turbina cu gaze unde are loc destinderea. Se imprimă astfel rotorului turbinei o mişcare de

rotaţie care este transmisă rotorului generatorului de energie electrică. La început, randamentele medii

se situau undeva la 15%. De-a lungul anilor s-au realizat înbunătăţiri de randament, aplicand principiul

II al termodinamicii, prin ridicarea temperaturii fluidului motor. Însă ridicarea temperaturii la

aproximativ 500ºC presupune existanţa unor materiale termorezistente pe de o parte şi micşorarea

securităţii în exploatare, pe de altă parte.

Directe

Energia electrică se obţine direct fiind eliminat intermediarul termic. Conversia electrochimica

este exemplul reprezentativ. Tot la categoria celor directe ar mai fi conversia fotochimică (prin

excitaţie luminoasă a moleculelor), conversia fotomecanică, ultrasunetele, rezultând energie luminoasă.

13

Conversia electrochimică

Transformarea electrochimică a energiei a fost utilizată aşa cum atestă pila galvanică expusă la

muzeul din Bagdad de locuitorii Mesopotamieni cu circa 250 de ani î.e.n. A fost utilizată pentru

acoperirea cu aur a bijuteriilor. De la acea pilă şi până la pilele de combustie ce sunt indispensabile

navelor cosmice este un pas uriaş făcut de omenire şi în acest domeniu.

Convertizoarele electrochimice se clasifica in patru grupe mari: pile galvanice primare, pile galvanice

secundare, pile de combustie si pile hibride. In cele dintai, energia electrica se produce pe seama unor

reactanti ce se gasesc in calitate limitata si a caror epuizare se soldeaza cu scoaterea din uz a pilei;

regenerarea pilelor primare nu are loc. In pilele secundare partenerii de reactie consumati in timpul

productiei de energie electrica se pot genera printr-un proces de electroliza , numit incarcare;

functionarea acestor pile se bazeaza pe o reactie electromotric activa reversibila.

Caracterizarea şi compararea diverselor convertizoare electrochimice

Principalele marimi care trebuie avute in evidenta in realizarea convertizoarelor electrochimice

sunt:

1. Reacţiile potenţial active, la cei doi electrozi

2. Reacţii electromotric activă ( suma celor două reacţii potenţial active)

3. Oricărei reacţii îi corespunde entalpia liberă standard :

∆G = -zFE

* unde z este numărul de electroni transferaţi, F este numărul lui Faraday, iar E este forţa

electromotoare.

4. Energia specifică masică, teoretică Wgt definită de energia livrată de unitatea de masă de

compus electroactiv.

Wgt = EQ/m

*E= forţa electromotoare FEM a pilei [V]

Q=cantitatea de electricitate disponibilă în reacţie [C] =>

1KWh=3,600*106J

Din relaţii rezultă că :

14

Conform teoriei lui Faraday: , unde M este masa moleculară.

, iar zFe=-∆G0

Astfel energia specifică masică va avea următoarea relaţie:

5. Relaţiile de mai sus presupun prezenţa numai a speciilor electroactive. În realitate valoarea

densităţii masice de energie teoretice trebuie corectata.

Wg= rtr*rec*Wgt

Wg: densitatea masică de energie practică

rtr: randamentul de transformare. Acesta este egal cu raportul dintre masa materialului

electroactiv şi masa toatală a pilei (inclusiv masa electrolitului, a conductorilor, etc.)

rec : randamentul electrochimic, egal cu produsul dintre randamentul de tensiune rv şi cel

de curent rF.

6. Puterea specifică masică, W/kg- este o mărime importantă utilizată în tracţiunea electrică.

Reacţiile electromotrice active nu sunt procese de transfer de sarcină la interfaţa electrod/electrolit cu

un mecanism destul de complicat şi se rezolvă prin mai multe etape:

a. Transportul speciilor reactante din faza de volum a soluţiei de electrolit la interfaţa electrod-

electrolit.

b. Adsorbţia reactanţilor pe suprafaţa alectrodului.

c. Transferul de sarcină între reactantul adsorbit şi electrod, când rezultă fie intermediarii, fie

produşi de reacţie.

d.Desorbţia produsului .

e.Transportul produsului de reacţie de la interfaţă în faza de volum .Viteza reacţiei

electromotrice active depinde de viteza etapei mai lente.

Procesul de electrod global se poate scrie:

Oxidant +z e-↔ Reducător

pentru care densitatea de curent va lua următoarea formă:

15

unde i0 –densitatea de curent de schimb, de fapt măsoară viteza de reacţie în

condiţii de echilibru.

α- coeficientul de transfer

β – factor de simetrie ( aprox 0.5)

z-nr de e- transferaţi

F-numărul lui Faraday

η- supratensiune totală

După cum este şi firesc, optimizarea unei surse electrochimice de curent urmăreşte realizarea

unor densităţi de energie şi de putere maxime; în acest scop trebuie să fie satisfăcute următoarele

condiţii: -reacţia electromotric activă să aibă o FEM maximă;

-reactanţii să aibă o masă echivalentă minimă;

-reacţiile de electrod să fie rapide, i0 cât mai mare, de unde rezultă că supratensiunea de

activare va fi cât mai mică;

-distanţa dintre electrozi să fie cât mai mică;

-conductivitatea soluţiei de electrolit să fie cât mai mare;

-solubilitatea produşilor obţinuţi la descărcarea pilei trebuie să fie mare la pilele primare

şi mică la cele secundare ( pentru a facilita regenerarea prin încărcare)

-reactanţi să fie greu solubili în soluţia de electrolit pentru a se evita difuzia de la un

electrod la celălalt şi autodescărcarea chimică a pilei;

- atât electrozii cât şi soluţia de electrolit să fie stabili vreme îndelungată pentru a

asigura o durată de viaţă căt mai lungă pilei.

2.2. Stocarea energiei

O soluţie logică pentru a menţine funcţionarea centralelor la capacitate mare şi constantă o

constituie cuplarea lor cu sisteme de acumulare (stocare) a energiei. Acestea ar acumula energia în

timpul solicitărilor minime şi ar restitui-o în perioadele de vârf a consumaţiei. Fluctuaţiile de consum

de energie electrică sunt de trei feluri: diurne, săptămânale şi sezoniere.

Principalele caracteristici pe care trebuie să le îndeplinească un sistem de stocare sunt cu:

16

să primească energia cu maxim de viteză, fără forţe termodinamice excesive (diferenţă

de temperatură,presiune,potenţial);

să livreze energia cu maxim de viteză;

să aibă pierderi mici, adică autodescărcarea să fie minimă;

să suporte un număr ridicat de cicluri încărcare-descărcare, fără diminuarea substanţială

a capacităţii sale.

Principalele modalităţi de stocare care permit acumulare de mari cantităţi de energie sunt cu

sisteme electromagnetice, termica, sub forma de energie potentiala, electrochimica.

Cu sisteme electromagnetice

Cea mai rentabilă metodă de acumulare a energiei electrice este fără îndoială menţinerea ei în

stare electrică. Principiul metodei constă în menţinerea curentului într-un circuit închis cu ajutorul unui

câmp magnetic intens. Inductorul de stocare al energiei se realizează prin folosirea unor sârme

supraconductoare care se pot înfăşura în diverse geometrii. Acesta funcţionează la temperatura heliului

lichid şi este încărcat de la centrala de putere. O dată ce câmpul inductor a atins valoarea nominală şi

curentul asociat s-a stabilizat acesta din urmă va continua să circule cu o cădere de tensiune

neglijabilă, deci cu o disipare minimă de energie, graţie rezistenţei nule a supraconductorului.

Avantaje: aranjament compact, eficienţă mare, demaraj rapid, preluare uşoară a sarcinii, poluarea

mediului practic inexistentă.

Termică

Se disting trei variante de stocare termică a energiei: acumularea subterană sub formă de apă

fierbinte, utilizarea căldurii latente de topire si prin injectarea de apă fierbinte în straturile de apă.

În prima variantă căldura se acumulează subteran sub formă de apă fierbinte sub presiune. S-a

propus realizarea de rezervoare din oţel izolate faţă de exterior, care sunt alimentate cu apă fierbinte.

Variaţiile de volum datorate modificăriilor de temperatură din sisitemul de acumulare se reglează prin

intermediul unui vas de expansiune.

În altă variantă este utilizată căldura latentă de topire. Alături de un reactor nuclear sau altă sursă

de energie se poate amplasa un rezervor de săruri anorganice (carbonaţi, boraţi,cloruri) cu temperatură

de topire în jur de 6000C. În acest procedeu apar probleme legate de circularea sărurilor şi coroziunea

circuitelor cu care vin în contact. 17

Când se folosesc straturi de apă se pot stoca cantităţi mari de căldură prin injectarea de apă

fierbinte în straturile menţionate. Ar fi interesantă combinarea cu o centrală nucleară sau o

termocentrală mare. În cursul verii căldura ar fi introdusă în aceste straturi, urmând să fie utilizată în

perioadele reci ale anului.

Sub formă de energie potenţială

Se disting trei variante: prin pomparea de apă, prin comprimarea aerului şi prin gazeificarea

cărbunelui urmată de o comprimare a gazelor rezultate .

♦Pomparea de apă este varianta cea mai răspândită de acumulare a energiei la scară industrială.

Într-un procedeu se pot exploata avantajele topografiei naturale, când ambele rezervoare (şi cel superior

şi cel inferior) sunt aşezate la suprafaţă. Prezintă dezavantajul că utilizează prea mult spaţiu şi perturbă

mediul ambiant. O soluţie interesantă ar consta în plasarea rezervorului inferior în caverna excavată

subteran iar rezervorul superior situat la suprafaţă şi poate fi o masă de apă naturală (lac) sau un bazin

construit artificial cu materialul excavat. Cunoştiinţele în domeniul pompelor, turbinelor cu apă şi în

tehnica excavării fac din acestă variantă o metodă viabilă din punct de vedere economic, fără a afecta

mediul ambiant. Este posibilă realizarea şi pe mai multe etape folosind unităţi reversibile prevăzute cu

rezervoare compensatoare şi centrale de putere.

♦Comprimarea aerului constituie tot o metodă relativ simplă. Partea esenţială a instalaţiei este o

turbină de gaz echipată cu un motor generator şi cu câte un sistem de deconectare atât pentru

compresor cât şi pentru turbină. Când motorul generator lucrează ca motor consumă energie de la

centrala electrică iar turbina este deconectată. Aerul comprimat este canalizat spre un loc unde poate fi

depozitat ( rezervoare, caverne subterane, etc). Este esenţial că în acestă etapă energia este acumulată.

♦ Stocarea energiei prin gazeificarea cărbunelui, eventual urmată şi de comprimarea gazelor

rezultate reprezintă o valorificare superioară a acestuia, având cel puţin două avantaje. Primul avantaj

ar fi că se pot folosi din rezervele de cărbune (relativ mari) cu un randament energetic net superior.

Produsul brut obţinut la gazeificare se pretează la transformări chimice ( de ex metanarea) care îi

înbunătăţeşte mult calităţiile termice. Al doilea avantaj ar fi diminuarea poluanţiilor şi in consecinţă

protejarea mediului. Rentabilizarea într-un asemenea sistem se poate realiza prin plasarea lângă uzina

de gazeificare a cărbunelui a instalaţilor de stocare a energiei prin comprimarea gazelor. După cum am

menţionat mai sus, în timpul acumulării vor funcţiona compresoarele. La ieşirea din compresor o parte

din gazele comprimate sunt dirijate spre acumulare în depozite, iar cealaltă parte este introdusă în

instalaţii unde sunt supuse unor transformării chimice.În timpul generării, compresoarele sunt 18

decuplate iar gazele necesare pentru orice scop ( combustie, chimizare) sunt extrase din rezervoarele de

acumulare.

Electrochimică

Pilele secundare sunt sisteme electrochimice de stocare a energiei electrice sub forma de

energie chimica, a caror functionare se bazeaza pe reactii electromotric active reversibile. Desfasurarea

spontana a reactiei electrochimice corespunde transformarii energiei chimice in energie electrica si

coincide cu descarcarea acumulatorului, deci furnizarea de curent electric. In cursul procesului de

incarcare a acumulatorului energia electrica furnizata de o sursa de current continuu regenereaza

subtantele electroactive, reactia electromotric activa desfasurandu-se in sens invers celei initiale.

Numarul de descarcari posibile pentru o pila secundara depinde de conditiile de utilizare si de

gradul de reversibilitate al reactiei electromotric active. Este de dorit ca aceasta din urma sa fie apropiat

de 100 % pentru asigurarea unei eficiente superioare si unei andurante mari. O pila secundara devine

ineficienta numai dupa un numar de cicluri incarcare-descarcare, de obicei de ordinul miilor , in urma

unor transformari ireversibile legate de degradarea masei active, coroziunea unor parti constructive,

deprecierea electrolitului, etc.

Un acumulator este alcatuit din doi electrozi imersati intr-un electrolit comun. Daca doua sau

mai multe asemenea celule sunt legate in series au in paralel se obtine o baterie de acumulatoare. In

procesul de descarcare celula functioneaza ca pila electrica, diferenta de potential electrochimic dintre

electrozi determinand aparitia unui curent electric. Electronii parasesc anodul unde are loc oxidarea

masei active si circula spre catod unde se desfasoara un proces de reducere; cand diferenta de potential

devine nula sursa de electroni este epuizata si trebuie reincarcata. . in timpul incarcarii acumulatorul se

comporta ca o celula de electroliza , o sursa exterioara furnizand electroni pentru transformarea

energiei electrice in energia chimica ce se inmagazineaza. Succesiunea reactiilor de incarcare-

descarcare se considera un ciclu. Exemple de astfel de baterii: plumb-acid, nichel-cadmiu, zind-aer,

zinc- oxid de mercur, etc.

Efectul toxic asupra mediului al bateriilor uzate

Electricitatea portabila a devenit astazi o parte a vietii cotidiene. Bateriile alimenteaza mai

multe din aparatele ce functioneaza pe baza electricitatii, cum ar fi telefoanele, calculatoarele,

radiourile, casetofoanele si chiar automobilele electrice. Dupa ce acestea au fost consummate si 19

aruncate prezinta un real pricol asupra mediului inconjurator. In intreaga lume sute de milioane de

baterii mari si miliare de baterii mici continand tone de metale toxice si periculoase sunt produse si

utilizate in fiecare an. Astfel se explica faptul ca riscurile poluarii au crescut si ele, de aceea si

metodele de reciclare trebuiesc imbunatatite continuu. Reciclarea bateriilor presupune mai multe

operatii distincte:

Colectarea bateriilor uzate

Sortarea in functie de coontinut

Recuperarea materilaului reciclabil

Purificarea materialului reciclabil

Aruncarea partilor nereciclabile.

Trebuie mentionat ca sortarea bateriilor in functie de alcatuirea lor este foarte importanta

intrucat sunt folosite procedee industriale diferite pentru extragerea materialului din fiecare tip de

baterie in parte.

20

3. RESURSE DE ENERGIE CONVENTIONALE

3.1. Lemnul

Masa lemnoasă, una dintre cele mai importante surse de energie regenerabilă pe care le deţine

România, nu este exploatată. Potenţialul de masă lemnoasă nu este utilizat în sistemele termice din

România, din cauza lipsei tehnologiei şi a legislaţiei. România a făcut paşi modeşti în privinţa

valorificării lemnului şi a altor produse din lemn şi celuloză, în vederea producerii energiei termice atât

în sistemele termice centralizate, cât şi personale. Acest combustibil este ignorat în pofida avantajelor

ecologice şi economice. Specialiştii în domeniu spun că trebuie reconsiderat potenţialul materialelor

din lemn şi celuloză, care pot fi folosite drept sursă reală de energie.

Oamenii de ştiinţă au tras semnale pe două componente importante, respectiv reducerea

consumului de energie care are drept efect poluarea atmosferei, pe de o parte, şi reducerea consumului

de energie datorită reducerii rapide a rezervelor de combustibili fosili. „Cartea Verde a Energiei”

prevede în balanţa energetică a Uniunii Europene, o crestere a energiei produsă din surse regenerabile.

Specialiştii apreciază că, în cazul microbrichetelor obţinute din masă lemnoasă, bilantul de dioxid de

carbon rezultat prin ardere este zero. Acest calcul ia în consideraţie faptul că arborele a reţinut în timpul

vieţii lui, prin procesul de fotosinteză, tot atâta dioxid de carbon cât eliberează prin ardere. Cantitatea

emisiilor poluante la nivel naţional s-ar diminua foarte mult, prin înlocuirea combustibililor fosili cu

lemnl. Aceasta prsupune impaduriri massive in toate zonele posibile.

3.2. Carbunii

Cărbunele este o rocă sedimentară de culoare brun - neagră cu proprietăti combustibile

formată prin (carbonizare) îmbogătirea în carbon (în conditiile lipsei oxigenului) a resturilor unor

plante din epocile geologice. Procesul de carbonizare a plantelor preistorice s-a produs cu milioane de

ani în urmă, prin două procese mai importante:

faza biochimică produsă de bacterii si ciuperci care transformă celuloza si lignina din plante;

faza geochimică, faza propriu zisă de carbonizare, care se produce la temperaturi si presiuni

ridicate formându-se într-un timp îndelungat huila si antracitul. Acest proces are ca rezultat o

îmbogătire.

21

Datorită energiei termice ridicate degajate prin ardere huila mai poartă numele de aurul negru.

3.2.1. Formare si compozitie

Materia initială de bază din care ia nastere cărbunele sunt resturi de plante fosile, care constau

mai ales din feriga uriasă (Pteridopsida sau Polypodiopsida) care în urmă cu 400 de milioane de ani

alcătuia adevărate păduri, azi feriga are între 9000 si 12000 de varietăti. După moartea lor aceste plante

se scufundau în mlastină unde fiind izolate de aerul atmosferic urmează o serie de procese anaerobe, în

primele faze se formează turba. Prin migratia mărilor aceste mlastini au fost acoperite cu sedimente,

creându-se temperaturi si presiuni ridicate, care intensifică procesele de carbonizare, presiunea elimină

apa din turbă astfel ia nastere cărbunele brun. Dacă aceste presiuni mari persistă mai departe se

continuă eliminarea apei din cărbunele brun rezultând cărbunii cu cea mai mare putere calorifică, huila

si în final antracitul care este în acelasi timp si cărbunele cel mai vechi. La antracit procentul de carbon

ajunge la 90 - 96 %. Zăcămintele de huilă s-au format cu cca. 280 - 345 milioane de ani în urmă,

constituind azi una dintre principalele resurse energetice ale globului. Cărbunele brun este un cărbune

mai tânăr formându-se în peroada ter t iară în urmă cu 2,5 - 65 milioane de ani.

Compozitia se poate exprima ca:

masă organică, care contine C, H, N, O si S din combinațiile organice;

masă combustibilă care contine si S din combinațiile minerale (pirite), care arde si el, adică tot

ce arde; ceea ce nu arde (masa minerală plus umiditatea) este balastul;

masă anhidră,

masa uscată la aer (masa pentru analiză), care contine si umiditatea de constitutie si cea

higroscopică, compozitie folosită în determinările de laborator;

masa initială care contine si umiditatea de îmbibatie, adică compozitia cărbunelui introdus în

focare.

În timpul încălzirii, din cărbune se degajă gaze combustibile, numite materii volatile. Cu cât se

degajă mai multe materii volatile, cu atât cărbunele se aprinde mai usor. Prin aprindere si ardere

cărbunele degajă căldură. Cantitatea de căldură eliberată prin arderea completă a unui kilogram de

combustibil (aici cărbune) este puterea calorifică (sau căldura de ardere) a combustibilului, care în SI

se exprimă în MJ/kg. În practică, utilă este puterea calorifică inferioară (Qi).

3.2.2. Clasificarea cărbunilor din România22

În România cărbunii se clasifică conform STAS. In tabelul 1 sunt prezentati carbunii din Romania.

Tabelul 1. Calsificarea carbunilor din Romania.

Clasificarea cărbunilor din România

Clasa Grupa Caracteristici

Turbă (T) - Culoare: galben deschis până la negru.Structură vegetală fibroasă pronuntată.

Cărbune brun (B)

Cărbune brun pământos (BP)

Culoare: brun închis.Aspect pământos amorf, sfărâmicios, fără structură vegetală. Se poate bricheta fără liant. Urmă brună.

Cărbune brun lemnos (BL)Lignit

Culoare: galben-brun până la negru.Aspect lemnos. Structură lemnoasă pronuntată. Exfoliere naturală. Spărtura lemnoasă contine uneori incluziuni cu aspect pământos sau negru lucios. Urmă brună.

Cărbune brun mat (BM)

Culoare: brun negru.Eventuale urme de structură lemnoasă. Spărtura complet plană, uneori pământoasă. Urmă brună.

Cărbune brun cu luciu smolos (BS)

Culoare: negru brun până la negru.Structură compactă. Spărtură concoidală. Urma brun închis.

Cărbune brun huilos (B/H)

-Culoare închisă.

Fâsii alternative lucioase, mate. Spărtură plană sau plan concoidală. Urmă neagră cu nuantă brună.

Huilă (H) Huilă cu flacără lungă (HL)

Culoare: neagră.Fâsii alternative lucioase, mate. Spărtură plan concoidală. Urmă neagră cu nuantă brună.

Huilă de gaz (HG)

Stratificarea putin clară, lucios. Spărtură plană sau concoidală. Urmă neagră cu nuantă brună.

Huilă grasă (HGr)

Culoare neagră.Luciu puternic. De cele mai multe ori sfărâmicios si prăfos. Urmă neagră.

Huilă de cocs (HC)

Culoare neagră.Luciu puternic. De cele mai multe ori sfărâmicios si prăfos. Urmă neagră.

Huilă slabă degresantă (HS)

Culoare neagră.Luciu puternic. De cele mai multe ori sfărâmicios si prăfos. Urmă neagră.

Huilă antracitoasă

Culoare neagră.Luciu puternic. De cele mai multe ori sfărâmicios si prăfos.

23

(HA) Urmă neagră.

Antracit (A) - Culoare neagră.

Luciu metalic. De obicei sfărâmicios. Urmă neagră.

Turba este cel mai tânăr cărbune, din Neogen, formându-se si astăzi. Contine 52 - 62 % carbon

în masa combustibilă, iar prin încălzire degajă foarte multe materii volatile. În momentul extractiei ea

contine 75 - 80 % umiditate, ca urmare trebuie uscată, stare în care are o putere calorifică de 12 - 20

MJ/kg. Turba uscată si brichetată se foloseste drept combustibil casnic. De asemenea, ea se poate folosi

ca material filtrant sau ca îngrăsământ.

Cărbunele brun este un cărbune mai vechi, din Paleogen. Contine 60 - 78 % carbon în masa

combustibilă, iar prin încălzire degajă multe materii volatile. În momentul extractiei contine 30 - 45 %

umiditate. Are o putere calorifică de 6 - 18 MJ/kg (uzual 7 - 9 MJ/kg). Este mult folosit, în special

lignitul, care se găseste în cantităti mari, de exemplu în România în bazinul Olteniei, în scopuri

energetice, fiind combustibilul clasic în termocentralele pe bază de cărbune.

Cărbunele brun huilos este un cărbune specific României, are aspect de huilă, însă putere

calorifică sub 20 MJ/kg, ca urmare nu poate fi considerat huilă. Este folosit în scopuri energetice.

Huila este un cărbune vechi, datând din Cretacic si Jurasic. Contine 75 - 92 % carbon în masa

combustibilă, iar prin încălzire degajă suficiente materii volatile pentru aprindere. În momentul

extractiei contine 1 - 5 % umiditate. Are o putere calorifică de 20 - 29 MJ/kg. Este cel mai pretios

cărbune. Huilele cu flacără lungă (numele vine de la durata degajării volatilelor, care ard cu flacără

vizibilă) si de gaz (numele vine tot de la cantitatea volatilelor) nu cocsifică, ca urmare se folosesc în

scopuri energetice. Huila de cocs si partial cea grasă (în amestec cu cea de cocs) cocsifică, ca urmare

este folosită la producerea cocsului, valorificare mult mai valoroasă decât prin ardere. Huilele slabă si

antracitoasă au putine volatile, sunt greu de ars.

Antracitul este cel mai vechi cărbune, datând din Jurasic. Contine 92 - 98 % carbon în masa

combustibilă, dar aproape deloc materii volatile, ceea ce îl face foarte dificil de aprins. Aprinderea

trebuie făcută cu un combustibil de suport, care să-l aducă la temperatura de 800 °C, temperatura de

aprindere a carbonului. În momentul extractiei contine 3 - 12 % umiditate. Are o putere calorifică de 20

- 25 MJ/kg. Datorită aprinderii dificile este puțin folosit în energetică, fiind folosit în industria chimică

la producerea electrozilor.

În concluzie, cărbunele se foloseste:

Drept combustibil, atât casnic, cât si în producerea de curent electric produs cu ajutorul

turbinelor din termocentrale. Prin ardere cărbunele eliberează căldură si produce gaze de ardere

24

ca dioxid de carbon, dioxid de sulf si vapori de apă. In anul 2003 24,4 % din energia primară

produsă pe glob si 40,1 % din energia electrică era produsă pe bază de cărbune, cu ponderea

însemnată a huilei si lignitului. Termocentralele moderne au redus substantial emisiile de gaze

nocive rezultate din arderea cărbunilor.

Ca materie primă în industria chimică si în metalurgie. O importantă mare o prezintă cocsul

care este folosit drept combustibil în încălzire (înlocuitor al gazelor naturale) si de asemenea ca

reducător al minereurilor feroase în furnale.

3.2.3. Rezervele de carbuni si repartitia lor geografica

In tebelul de mai jos este prezentata exploatarea exprimata in mii de tone.

Tabelul 2. Exploatarea carbunilor

Exploatare exprimată în mii de tone

Ordine Tara 1970 1980 1990 2000 2004

1. Germania 406.034 387.930 356.524 167.724 181.926

2. USA 5.963 42.300 82.608 77.620 75.750

3. Grecia 8.703 23.207 49.909 63.948 71.237

4. Rusia 128.100 141.500 138.500 86.200 70.300

5. Australia 25.648 32.895 47.725 67.363 66.343

6. Polonia 36.118 36.866 67.584 59.505 61.198

25

7. China 16.960 26.288 44.520 42.774 50.000

8. Cehia 84.894 90.145 80.205 51.063 48.290

9. Turcia 4.400 16.967 46.892 61.315 43.754

10. Serbia 18.341 27.921 45.376 34.037 35.620

11. India 3.908 4.548 14.110 22.947 30.341

12. România 15.575 28.128 34.897 26.882 28.648

13. Bulgaria 31.806 29.946 31.532 26.183 26.455

14. Thailanda 441 1.427 12.421 17.714 20.060

15. Ungaria 26.102 22.636 15.842 13.532 12.730

16. Canada 3.919 5.971 9.407 11.190 11.600

17. Bosnia 7.340 11.174 18.160 7.441 9.000

18. Macedonia 4.940 7.519 6.640 7.516 8.500

19. Spania 3.121 15.390 20.870 8.524 8.147

20. Coreea de Nord 5.700 10.000 12.500 6.500 6.500

26

... Austria 4.045 2.865 2.448 1.255 235

... Lume 869.626 1.080.335 1.153.970 877.417 915.789

Carbunele, la fel ca si gazele naturale, petrolul sunt resurse energetice epuizabile.

Posibilitatile in resurse energetice oferite de Terra pentru viitor sunt limitate. Consumul acestor resurse

reclama o mai judicioasa folosire a lor pe plan regional si national. Omul a reprezentat un consumator

de energie inca din epoca primitiva. Au fost gasite urme de carbune pe vetrele unor asezari omenesti la

popoarele din Egiptul si Grecia antica, la romani, chinezi, urme ce dateaza din mileniile II-I i.e.n.

In secolul al X- lea, vikingii au folosit carbunii, fiind gasite urme pe vetrele din

Groelanda. In secolul al XI – lea, in Germania incepe sa fie exploatat carbunele la Zwichau, iar in

Marea Britanie apar cateva bazine de exploatare (Midlands, Cardiff, Durban, Yorkshire), in secolul al

XVIII – lea. O lunga perioada de timp , carbunii au constituit principala sursa de energie , influentand

puternic economia mondiala. Secolul al XIX-lea a fost denumit metaforic secolul carbune . Nevoia

mereu mai mare de energie a societatii a determinat descoperirea si exploatarea unor noi surse cu

utilizare larga (petrol, gaze naturale, energie hidroelectrica si atomica s.a.), fara sa elimine insa

carbunele din balanta energetica .Mai mult chiar , productia de carbune a crescut continuu in anumite

state. Rentabilitatea exploatarii unui bazin carbonifer este stabilita in functie de adancimea si grosimea

stratelor de carbune . Cele mai rentabile exploatari sunt cele efectuate la suprafata , cu utilaje de mare

capacitate .In partea de est a Germaniei, carbunele se extrage aproape in totalitate in cariera , in S.U.A.

in proportie de 50%, in C.S.I. 35%.

Rezervele de cărbuni pe glob estimate în anul 2004 au fost de 783,1 miliarde de tone, din care

apartine 27 % SUA, 16 % Rusia, 12 % China, 12 % India, 7 % Uniunii Europene si 7 % Australiei.

Aceste rezerve dacă se continuă folosirea cărbunilor în acelasi ritm ca în anul 2003 (3,8 miliarde de

tone), atunci rezervele ar acoperi necesarul globului pe o perioadă de 203 ani. Rezervele de carbune ale

României, aflate in evidenta natională la începutul lui 2007, sunt urmatoarele: huilă 721 mil.tone;

carbune brun 65 mil.tone; lignit 3.400 mil.tone.In ultimii 50 de ani , rezervele sigure si probabile de

carbuni au fost evaluate intre 10 000-11 000 miliarde tone , din care 1 000 mld. tone sunt rezerve certe

(75% carbunele superior si 25% carbunele inferior).

In ceea ce priveste repartitia geografica a rezervelor , aceasta este inegala, circa 95% fiind

concentrate in emisfera nordica si numai 5% in cea sudica (in principal in tari ca Australia, Africa de

27

Sud , Columbia, Brazilia); in emisfera nordica zacamintele sunt concentrate indeosebi intre latitudinile

de 35 si 60 grade. Numai trei state detin circa 90% din rezervele probabile: C.S.I. (60%), S.U.A. si

China. Exista, totodata , si mari zone geografice care au foarte mici rezerve ca , de exemplu:

Africa(2,7%), America de Sud(1,2%), Oceania(1,1%).

Productia carbonifera a crescut rapid pana in 1913, cand carbunele domina sursele energetice

(90% in balanta purtatorilor de energie primara), apoi productia evoluand mai lent sau chiar stagnand,

ca urmare a cresterii ponderii hidrocarburilor .In schimb, odata cu “criza petrolului”, declansata in anul

1973, are loc o revigorare a industriei carbonifere mondiale, un aspect important constituindu-l

reconsiderarea carbunilor inferiori , utilizati tot mai mult in termocentrale .

Productia carbonifera –care a variat, dupa 1990, intre 4,5 si 5 md.t.-este mult mai concentrata

teritorial decat a petrolului: trei state , respectiv S.U.A., C.S.I. si China, detin mai mult de jumatate din

productia mondiala. Aceleasi trei state realizeaza, impreuna, mai mult de doua treimi din productia

mondiala de carbune superiore: China-3% (intreaga productie fiind de acest fel), S.U.A.-20% din

productia mondiala, C.S.I.-circa 15%.

Tabelul 3. Rezervele si productia de carbune a unor tari

TaraRezerve (md.tone) Productia (mil.t.1997)

China 108,9 1351,9

S.U.A. 290,8 913,3

India 1,8 322,4

C.S.I. 269,8 302,3

Africa de Sud 64,4 220,1

Australia 72,4 206,2

Polonia 47,1 137,1

R.P.D. Coreeana 6,2 65,0

Germania 88,1 51,2

Indonezia - 49,5

Marea Britanie 5,1 47,1

Canada 8,6 41,3

28

EUROPA- se situeaza pe primul loc in ceea ce priveste participarea la productia mondiala,

aceasta scazand insa de la peste 50% inainte de 1980 la mai putin de 1/3 in prezent.

Comunitatea Statelor Independente se inscrie intre cele mai mari producatoare de carbuni din

lume, detinand totodata, aproape 2/3 din rezervele mondiale certe si probabile, din care 90% sunt

localizate in partea asiatica a tarii: Karaganda-Ekibastus, Siberiei de Est (Irkutsk), Angarak,

Ceremhova, Bureia Suceean, Insula Sahalin, Tungusca, Lena, Taimar. Din totalul productiei, circa 80%

se foloseste in centrale electrice, pentru productia de cocs si in consumul casnic, iar restul se exporta.

Peste 30% din productie provine din exploatarile la zi. Ponderea carbunilor in balanta de combustibili a

C.S.I. este de circa 25%. Carbunele a fost mai intai exploatat in partea europeana a tarii, unde exista

cateva mari bazine carbonifere, cel mai important fiind bazinul Donbas, din Ucraina, care participa cu

aproape un sfert la productia C.S.I. Acest zacamant contine circa 300 de straturi, din care sunt

exploatate peste 100. Detine atat carbuni cocsificabili (40%), cat si, mai ales, energetici. Bazinul are o

pozitie geografica favorabila, fiind situat in apropierea zacamintelor de minereu de fier de la Krivoi-

Rog si Kerci si a unor importante cai de transport (Marea Neagra, canalul Volga-Don), ceea ce a

favorizat dezvoltarea uneia dintre cele mai importante regiuni industriale. Un alt bazin este cel al

Moscovei , care participa cu circa 10% la productia tarii si contine numai carbuni energetici. Prezinta

importanta deosebita, fiind localizat in zona industriala a Moscovei, zona mare consumatoare de

energie, aprovizioneaza importanta concentrare de mari termocentrale din jurul Moscovei. Bazinul

Peciora, care detine mari rezerve de carbuni cocsificabili, este situat in N-E partii europene a C.S.I., in

bazinul fluviului Pecioara din zona arctica, fiind cunoscut si sub numele de “Donbasul Polar”.

Alimenteaza cu carbuni regiunea industriala a Sankt Petersburgului (fostul Leningrad), in care scop s-a

construit calea ferata Vorkuta-Sankt Petersburg (circa 2000 km lungime). Mai multe bazine carbonifere

exista in Muntii Ural, in mare parte cu carbuni energetici, exceptie facand bazinele Kizel si Celeabinsk,

de unde se extrage carbune cocsificabil. Rolul acestora este deosebit pentru regiunea industriala a

Uralului, prezentand si marele avantaj ca se exploateaza la zi. In partea asiatica, unde sunt concentrate

circa 90% din rezervele de carbune ale C.S.I., cel mai mare bazin in exploatare este Kuzbas situat in

bazinul fluviului Obi, pe afluentul sau Tomi. Este un zacamant care, in cele 200 de straturi, contine

toate sortimentele de carbuni. Pe baza carbunelui de aici si a minereului de fier din apropiere, s-a

dezvoltat marele complex metalurgic din sudul Siberiei Occidentale. Bazinul Karaganda, situat la nord

de lacul Balhas, in Kazahstan, participa cu cca. 1/10 la productia tarii si contine atat huila cocsificabila,

cat si carbune brun, in staturi groase si usor de exploatat. Alte bazine carbonifere din partea asiatica

sunt: Ekibastus din Kazahstan, Minusinsk, in sudul Siberiei Occidentale, Kansk-Acinsk din bazinul

superior al Eniseiului (cu mari exploatari in cariera), Ceremhovo in vestul lacului Baikal, Tunguska, in 29

partea central-siberiana s.a. In extremul nord se afla bazinele din peninsulele Taimir, Indighirka si

Kolima, cu zacaminte care, in prezent, sunt mai putin exploatate, iar in Extremul Orient bazinele

Bureia, Sucean si cele din Insula Sahalin.

Al doilea producator important european este Germania, desi si-a redus drastic productia, de la

cca. 500 mil.t., din care aproape ¾ carbune inferior(lignit). Zacamintele de carbune inferior sunt

concentrate indeosebi in partea estica, in bazinele Saxono-thuringian (sau al Elbei), cu cea mai mare

participare (peste ½) la productia totala a tarii si Lauchhammer, acesta din urma avand insa rezerve mai

importante. Alte bazine din care se exploateaza carbuni inferiori, atat lignit cat si carbune brun, se afla

in partea vestica: Aachen, Koln, Saxonia Inferioara, Bavaria.

Polonia (cca.137 mil.t productia anului 1997) detine cele mai mari rezerve de huila din Europa

Centrala, iar in ceea ce priveste productia de huila se situeaza pe locul 7 in lume, dupa ce multi ani a

detinut locul 4. Carbunii participa cu peste 90% in balanta de combustibili primari, constituind

principala sursa energetica a tarii. Zacamantul huilifer cel mai important, inscriindu-se, totodata, printre

cele mai mari din lume, se afla in sudul tarii, in Silezia Superioara (detine 9/10 din rezerva de huila a

Poloniei). Participa cu cca. ¾ la productia totala a tarii si cu peste 90% la cea de huila. Pozitia

geografica este favorabila, doua cai navigabile, Odra si Wisla, legandu-l de regiunile centrale si de

Marea Baltica. Prin canalul Gliwice si fluviul Odra ajunge la Marea Baltica, aceasta fiind o alta cale pe

care se transporta carbunii pentru export. Huila cocsificabila se mai exploateaza, dar in cantitati mai

mici, in Silezia Inferioara- in bazinul Walbrzych 5% si in Podisul Lublin, iar carbunii inferiori din

voievodatul Poznan si din Silezia Inferioara. Polonia detine mari zacaminte de turba in NE tarii, in

Mazuria.

In Cehia si Slovacia rezervele sunt mai modeste, cu predominatia carbunilor bruni si a lignitilor

(numai cca. 40,7 mil.t. in 1997, fata de aproape 120 mil.t. in 1989). Carbunii constituie principala sursa

de energie primara (peste 80% in balanta purtatorilor primari de energie). Cel mai mare bazin

carbonifer, care participa cu cea mai mare parte la productia de huila a tarii, este cel din Silezia Ceha

(Ostrava- Karvina), aici fiind concentrata cea mai mare parte a industriei grele si cocsochimice; alte

exploatari huilifere se afla in Boemia si Moravia (Kladno, Kosice, Plsen) si Boenia de Nord (bazinele

Most si Sokolov), cu cea mai mare productie de carbune brun si lignit, toate in Cehia.

Marea Britanie a fost prima tara din lume care a trecut la exploatari masive de carbune inca din

secolul al XVIII-lea. Localizarea favorabila a zacamintelor (aproape de zacamintele de minereu de fier

si de tarmuri) au usurat transportul si au creat conditii avantajoase dezvoltarii timpurii a industriei

metalurgice si a exportului. Calitatea carbunelui, deosebit de buna, adancimea mica si grosimea mare a

straturilor, au inlesnit exploatarea lor, dar, totodata, au dus si la epuizarea straturilor de suprafata si de 30

mica adancime. Rezervele sunt inca mari, apreciate a asigura, la nivelul productiei actuale, consumul

pentru aproape 1000 de ani. In Marea Britanie se exploateaza in exclusivitate carbuni superiori,

cocsificabili.

America de Nord participa cu aproape 1/3 la productia mondiala, remarcandu-se Statele Unite

ale Americii, care, prin productia lor de cca. 913 mil.t. in 1997, din care peste 90% carbune superior, se

situeaza pe locul al doilea in productia mondiala; multa vreme au ocupat primul loc, dar, in ultimii ani,

au fost depasite de China. Repartitia rezervelor este foarte inegala cantitativ si calitativ. Aproximativ

4/5 din acestea sunt concentrate in vest, in zona Muntilor Stancosi(in statele Montana, Wyoming, Utah,

Colorado, Washington, Dakota de Nord), zona care participa cu aproape 2/5 la productia tarii (pana nu

demult cu numai ¼). Restul de 1/5 din rezerve se afla in estul si centrul tarii, zone ce participa insa cu

mai mult de jumatate la productia totala.

Cel mai important este Complexul carbonifer din estul tarii, axat pe Muntii Apalasi, care se

desfasoara din statul Pennsylvania, in nord, pana in statul Alabama, in sud. Zacamantul este alcatuit din

carbuni de foarte buna calitate, in straturi groase si la suprafata. Este principala baza de aprovizionare

cu carbuni cocsificabili a S.U.A.; cel mai important bazin carbonifer de aici si, totodata, cel mai vechi

este Pennsylvania. A doua baza carbonifera este cea din bazinul mijlociu al fluviului Mississippi, in

care zacamintele sunt cantonate in statele Ohio, Illinois, Indiana si Kentucky (din estul fluviului) si in

statele Iowa, Missouri, Nebraska, Kansas si Oklahoma (in vest). Participarea acestui bazin la productie

este mica (15%), dar calitatea carbunelui este exceptionala. A treia baza carbonifera o constituie

bazinele din vest (indeosebi Wyoming, Montana, Colorado, Utah, Dakota de Nord), care participa cu

aproape 2/5 la productia tarii.

America de Sud este continentul cu cea mai mica participare la productia mondiala (0,5%).

Rezervele acestui continent sunt mici, carbunii fiind de calitate inferioara si localizati in regiuni mai

greu accesibile.

Columbia este tara care, pana la ora actuala, detine peste 50% din rezervele continentului,

calitatea carbuneluifiind superioara. Urmeaza, ca, rezerve, Venezuela, dar cantitatile exploatate sunt

foarte mici (huila de buna calitate). Dezvoltarea siderurgiei in Venezuela va duce la impulsionarea

extractiei carbonifere.

In Asia exista doi mari producatori de carbuni:China si India. Participarea continentului la

productia mondiala este tot mai insemnata, reprezentand cca. 1/3 fara C.S.I. si peste 45% impreuna cu

productia asiatica a acesteia.

China este, in prezent, prima producatoare din lume participand cu aproape ¼ la productia

mondiala. Productia a cunoscut mari ritmuri, crescand de la 30 mil.t. in 1950, la peste un miliard de 31

tone in prezent. Carbunii detin o pondere foarte mare (4/5) in balanta energetica, fiind sursa energetica

primordiala a tarii. Rezervele sunt estimate la cca.600 md.t. (si cele de adancime), iar calitatea

carbunelui este superioara( in mare parte huila cocsificabila). Constituie principala sursa energetica a

tarii. Cele mai mari bazine cu carbuni superiori sunt localizate in nordul si estul Chinei. In sud-estul si

centrul Chinei se afla mai cu seama zacamintele de carbuni bruni. Aflandu-se la adancime mica, multe

din exploatari se fac la zi.

India, a doua producatoare de pe continent, detine mari zacaminte de huila, concentrate in nord-

estul tarii, in statele Bihar, Assam, si Madhya-Pradesh si in Bengalul de Vest. Din aceste state se obtine

aproape 90% din productia tarii (322,4 mil.t. in 1997). Zacamintele de huila, in exploatare, mai exista

in apropiere de Hyderabad si Madras. Situata pe unul din locurile de frunte in productia carbonifera a

lumii, India exploateaza exclusiv huila si se inscrie printre tarile care inregistreaza ritmuri inalte de

dezvoltare, urmare a crearii unei siderurgii proprii si a cerintelor de export.

Alti producatori asiatici, dar cu valori mult mai reduse sunt: Turcia (cca.38,1mil.t.), Indonezia

(49,5mil.t.), RPD Coreeana (cca.65,0mil.t.)

Continentele din emisfera sudica au o participare redusa, atat ca rezerve cat si ca productie.

In Africa, mare producatoare este Africa de Sud. Cel mai important bazin carbonifer se afla in

Transvaal (Withbank), asigurand cea mai mare parte a productiei tarii.

Australia are rezerve apreciabile de huila si lignit si o productie de peste 200mil.t. (din care ¾

carbune brun), productia avand tendinte de crestere (sub 200mil.t. inaite de 1990), in vederea asigurarii

consumului intern si a exportului. Zacamintele sunt concentrate in partea de est, de-a lungul Cordilierei

Australiene, in statele Noua Galie de Sud (deosebit de important este bazinul Sydney, unde se

exploateaza numai huila), statele Queenslaand si Australia de Sud, unde se fac cele mai mari exploatari

in cariera.

3.2.4. Industrializarea carbunelui

Carbunele este o deosebit de valoroasa materie prima pentu industrie. Principalul produs

obtinut, in prezent, este cocsul, cocseriile fiind localizate, in general, in incinta bazinelor carbonifere.

Productia mondiala de cocs este de circa 500 mil.t., principalii producatori fiind: C.S.I., S.U.A.,

Japonia, China, Germania, Polonia, Marea Britanie, Cehia. Acestea sunt, in general, si producatoare de

carbune cocsificabil, cu exceptia Japoniei care importa huila cocsificabila.

Principalii exportatori de cocs sunt: Polonia, C.S.I., Germania, Cehia, S.U.A., iar cei mai mari

importatori sunt: Franta, Spania, Suedia, Norvegia, Ungaria, Romania. Necesarul de cocs a crescut in 32

ultima vreme, ca urmare a dezvoltarii siderurgiei intr-o serie de tari, intre care Australia, Brazilia,

Venezuela, Algeria.

O alta forma de industrializare, care reprezinta, totodata, o valorificare superioara a carbunelui o

constituie gazeificarea si lichefierea, care ofera posibilitatea obtinerii de produse similare celor din

petrol. Exista numeroase instalatii de gazeificare indeosebi in tari din Europa Occidentala, precum si in

S.U.A., Africa de Sud etc. Produsele obtinute sunt utilizate in alimentarea industriei si a zonelor

urbane, precum si pentru fabricarea amoniacului si a metanolului.

3.3. Titeiul

In secolul XX intrega industrie si civilizatie s-a bazat pe energia furnizata de titei. Petrolul brut

(numit si titei) este un produs de natura organica, care se gaseste in pamant, formand zacaminte.

Petrolul / titeiul a fost descoperit in urma cu câteva mii de ani. Petroleum este un cuvânt de origine

romana care provine din „oleum petrae“ = ulei de piatra, denumire pe care romanii l-au preluat de la

egipteni, care descopera petrol la suprafata in regiunea muntilor Golfului Suez. Se presupune ca in

antichitate romanii foloseau petrolul brut ca lubrifiant la osiile carelor romane, sau in timpul Bizantului

acesta era parte componenta a focului grecesc o arma temuta in luptele navale de odinioara. Petrolul

brut era folosit si in medicina veche fiind vândut ca leac miraculos universal. Rezervele de titei au adus

insa si la conflicte internationale iar utilizarea lui a cauzat poluare si daune medului inconjurator.

3.3.1. Originea si compozitia titeiului

Titeiul este un amestec complex format din hidrocarburi gazoase si solide, dizolvate in

hidrocarburi lichide.

Teoria biogena de formare a zacamintelor de petrol sustine ca petrolul ia nastere din organisme

marine plancton care dupa moarte s-au depus pe fundul marii, fiind acoperite ulterior de sedimente.

Conform acestei teorii perioada de formare a petrolului se intinde pe perioada de timp de cca. 350 - 400

milioane de ani in urma, in Devonian, perioada in care a avut loc in rândurile florei si faunei o

mortalitate in masa, explicata prin teoria meteoritului urias care a cazut in aceea perioada pe pamânt,

declansând temperaturi si presiuni ridicate. Astfel s-au format asa numitele substante cherogene ce

provin din substante organice cu un continut ridicat in carbon si hidrogen. Prin procesele urmatoare de

diageneza aceste substante cherogene pot deveni substante bituminoase, rocile sedimentare ce contin

substante cherogene sunt denumite roci mama a zacamintelor de petrol.33

Materia cherogena alcatuita din particule fin dispersate in roca mama, sub anumite conditii, mai

ales in prezenta temperaturilor inalte sufera un proces de migratie fiind impinse de apa sarata care are o

greutate specifica mai mare, sub presiunea exercitata particulele fine se unesc intr-o masa compacta de

petrol. Aceasta migratie are tendinta ascendenta spre suprafata, daca acest proces de migratie este

oprita de un strat impermeabil (argilos), are loc sub presiune imbogatirea zacamântului care se afla deja

in porii rocii de depozitare a petrolului. In conditii asemanatoare iau nastere gazele naturale, de aceea

deasupra unui zacamânt de petrol se poate afla o cupola de gaz natural. In peninsula Arabiei

zacamintele de petrol se afla inmagazinate intr-un calcar poros biogen care a luat nastere din corali.

Teoria abiogena are adepti mai putini (Thomas Gold) afirma ca petrolul ar fi rezultat din

minerale, roci cu un continut ridicat in carbon si hidrogen care având greutatea specifica mai mica au

fost presate spre suprafata. Asupra modului de formare a titeiului in scoarta pamantului s-au emis mai

multe teorii. Unele dintre acestea considera titeiul ca fiind de origine anorganica, altele ii atribuie

origine organica.

Teoria anorganica asupra originei titeiului a fost formulata de M.Berthelot si a fost completata

si sustinuta de D.I. Mendeleev. Aceasta teorie afirma faptul ca titeiul s-a format in straturile adanci ale

scoartei prin actiunea apei asupra carburilor metalice: CaC2, Al4C3 etc., care in contact cu apa se

descompun rezultand acetilena, metan si alte hidrocarburi si sub actiunea temperaturii si presiunii inalte

din interiorul pamantului si in prezenta catalizatorilor naturali (oxizi si saruri metalice), hidrocarburile

nesaturate s-au polimerizat formand titeiul de astazi.

Teoria organica se fundamenteaza pe mai multe ipoteze, si anume:

a. titeiul este de origine vegetala (Figuier), formandu-se din plante prin putrezirea acestora si

transformarea lor in metan, dioxid de carbon si acizi grasi etc.

b. titeiul este de origine animala (Engler), rezultand din transformarea grasimilor animalelor

marine, in special a pestilor, la temperaturi si presiuni mari in scoarta pamantului ;

c. titeiul este de origine mixta, vegetala – animala (Potonie) si prin transformarea unor plante si

animale marine microscopice (microplanton), acoperite de namol, si sub actiunea unor bacterii

anaeroba rezultat o materie organica, numita ‘sapropel’ care a imbibat namolul. Datorita

transformarilor geologice ale scoartei pamantului namolul cu „sapropel” a fost acoperit cu alte straturi

de pamant. Sub influenta temperaturii si a presiunii inalte ‘sapropelul’ din namol a suferit apoi

transformari chimice rezultand titeiul.

In majoritatea cazurilor, titeiul astfel format n-a ramas in locul de formare printre rocile

permeabile adunandu-se sub forma de zacaminte in straturile de nisip inconjurate de straturi de argila

impermeabila sau marna. Titeiul ramane foarte rar in roca care s-a format avand de obicei tendinta de a 34

se deplasa, strabatand rocile poroase sau permeabile, fenomen cunoscut sub denumirea de “migrare a

titeiului“. Migrarea titeiului :

- inceteaza in momentul cand titeiul intalneste un strat impermeabil

- se acumuleaza in stratele inferioare ale acestuia impregnate in rocile poroase

- zacamintele de titei sunt insotite de gaze si apa sarata

- gazele se gasesc in parte superioara, titeiul la mijloc iar apa sarat la baza zacamantului.

Titeiul brut, este un lichid vascos, de culoare bruna-neagra, cu reflexe albastrui, rareori galbui.

Are miros caracteristic, este insolubil in apa si mai usor decat apa, densitatea lui variind intre 0, 700 si

0, 930 g/cm3. Nu are temperatura de fierbere fixa, fiind un amestec complex de hidrocarburi. Este un

amestec de hidrocarburi gazoase si solide dizolvate in hidrocarburi lichide, dar mai contine si alti

diferiti compusi, in proportii mici, ca de exemplu: compusi cu oxigen, compusi cu sulf, compusi cu

azot si diferite substante minerale. In hidrocarburi se gasesc hidrocarburi aciclice saturate (alcani sau

parafine), hidrocarburi ciclice saturate (cicloparafine sau naftene) si hidrocarburi aromatice. Aceste trei

clase de hidrocarburi in proportii diferite se gasesc in toate tipurile de titei. Variatia, in limite destul de

largi a proprietatilor petrolului: culoarea, densitatea, vascozitatea, este o urmare a varietatii compozitiei

chimice a componentelor, cum si a proportiilor in care se gasesc.

a) Alcanii intra in proportia cea mai mare in petrol. Ei se gasesc mai ales in fractiunile usoare.

Astfel, gazele de sonda sunt alcatuite aproape numai din alcani inferiori, care se gasesc amestecati in

zacamant (adeseori ei erup din pamant formand gaze naturale). In fractiunile cu puncte de fierbere mai

inalte (fractiuni medii), proportia de alcani scade. In schimb, parafina care este formata din alcani cu un

numar mare de atomi de carbon, peste 16 se gaseste in proportii ridicate in fractiunile de ulei.

b) Cicloalcanii (naftenele) se gasesc de asemenea in proportie mare. In petroluri exista numai

naftene cu cicluri de C5 si C6. In fractiunile inferioare se gasesc derivati ai ciclopentanului si

ciclohexanului cu una sau mai multe catene alchilice de lungimi diferite. In fractiunile superioare sunt

prezente naftene policiclice cu 2-6 cicluri, in ale caror molecule se gasesc si catene alchilice.

c) Hidrocarburile aromatice se gasesc in proportie mai redusa decat celelalte hidrocarburi.

Totusi, proportia lor in petrol variaza in limite foare largi. Astfel in fractiunile usoare se gasesc in

proportie de 4-20% hidrocarburi aromatice monociclice; in fractiunile care fierb peste 2000C, creste

continutul in compusi cu mai multe nuclee aromatice. Cu cat continutul in hidrocarburi aromatice din

fractiunile grele este mai mare, cu atat petrolul respectiv contine mai mult asfalt.

Dintre celelalte clase de substante organice care se gasesc in petrol, se mentioneaza compusii cu

oxigen: acizi grasi, acizi naftenici si fenoli, care imprima petrolului caracter acid: compusii cu sulf:

hidrogen sulfurat, mercaptani etc., care imprima petrolului miros neplacut si proprietati corosive; 35

compusii cu azot, care au caracter bazic; diferite substante organice cu stuctura complexa continand O,

S si, uneori, N, denumite rasini si asfaltene. Nu se gasesc alchene si acetilene ( primele sunt insa

compusi importanti al petrolului “cracat “). In titei se mai gaseste si o ‘ceara moale’ compusa din

molecule continand un ciclu naftenic.Aceasta ceara moale amestecata cu ulei, formeaza: vaselina.

3.3.2. Clasificarea si rezervele de titei:

Pe baza compozitiei chimice, respectiv a predominarii unor categorii de hidrocarburi, petrolurile au

fost clasificate in mai multe tipuri:

1. Petrol parafinos caracterizat prin procentul mai ridicat in alcani (pana la 78%), asa cum sunt

in general petrolurile americane.

2. Petrol asfaltos, caracterizat prin procentul mare de hidrocarburi aromatice (in fractiunile

usoare) cat si de substante asfaltoase, asa cum sunt petrolurile din Caucaz.

3. Petrol de tip intermediar, caracterizat prin procentul mare fie de cicloalcani fie de alcani si

hidrocarburi aromatice.

In tara noastra, cele mai numeroase sunt petrolurile parafino-nafteno-aromatice (52%), carora le

urmeaza, in ordinea frcventei, petrolurile parafino-naftenice (37%), nafteno-aromatice (8%) si

parafinice (3%). Caracteristica petrolurilor romanesti este abundenta compusilor aromatici, indeosebi in

fractiunile inferioare; de aceea, benzinele romanesti contin 10-20% hidrocarburi aromatice. De

asemenea, caracteristic este continutul foarte redus de asfaltene si de compusi cu sulf.

O mare parte din rezervele mondiale de titei sunt situate in zona platformelor continentale unde

in present s-a ajuns la o adancime a exploatarii de 200-250 m sub nivelul marii. Principalele rezerve se

gasesc in apele teritoriale ale statelor din regiunea Golfului Persic, a Marii Nordului, a Golfului Mexic

si a Golfului Guineii. Dintre continente, Asia este cel mai bogat in rezerve de petrol, fapt ce ii da

posibilitatea de a avea si cele mai ridicate productii. Rezervele cele mai importante de titei sunt situate

in regiunea Orientului Apropiat si Mijlociu, regiune care detine 2/3 din rezervele cunoscute ale lumii.

Cel mai important zacamant considerat al doilea din lume, datorita rezervelor sale de cca. 9

miliarde de tone este Burgan, unde se obtin 90 % din productia tarii. Alte exploatari sunt realizate de

catre Emiratele Arabe Unite, Qatar, Oman, Siria si Turcia.

In figura de mai jos sunt prezentate rezervele de petrol din lume in anul 2005.

36

Fig.1. Rezervele de petrol din lume, anul 2005 (in miliarde de barili)

Baril-ul de petrol este o unitate de volum echivalenta a 42 galoane americane, care sunt

aproximativ echivalente cu 158, 9873 litri. Se foloseste in principal pentru a defini productia si

consumul de petrol.

O evolutie spectaculoasa in productia de petrol este realizata de R. P. Chineza care in 1995 s-a

situat pe locul al 6-lea in randul marilor producatori de titei. Cele mai importante rezerve sunt

cantonate in Bazinul Rosu, podisul Ioess. Cea mai veche producatoare de petrol din Asia de S-E este

insa, Indonezia care, in prezent se impune cu realizari pe aceasta piata. Centrul cel mai importantde

extracite aflandu-se pe insula Sumatra, dar se extrage si pe insulele Djawa si Kalimantan. Diferite

cantitati de petrol se mai extrage si tari ca: India, Myanmar, Japonia, Federatia Malaiezia. Europa luata

in ansamblu impreuna cu C. S. I. (principalul producator de petrol din Europa, ) este al doilea

producator de petrol din lume, pozitie ocupata de aportul major de putine state europene.

La sfarsitul anilor '80 cele 15 republici ale fostei Uniuni Sovietice erau in fruntea productiei de

titei, producand aproximativ 18% din totalul mondial, Rusia fiind cel mai important producator, urmata

de: Azerbjdjan, Kazahstan, Kirghistan, Tadjihistan, Turmenstan, Ucraina si Uzbehistan. S.U.A

impreuna cu Canada este cel de-al 2-lea mare producator de titei si au realizat in 1990, aproape 16%

din productia totala mondiala, extragerea variind in functie de cerere.

La noi in tara, titeiul sau petrolul brut constituie una dintre principalele bogatii naturale.

Zacaminte mari de de titei se gasesc in judetele: Bacau, Prahova, Arges si Gorj. De altfel, trebuie sa

amintim ca Romania este o tara cu o traditie de netagaduit in domeniul petrolului si al gazelor,

37

inscriindu-se, de multa vreme, in elita producatorilor si exportatorilor mondiali de titei si utilaje

petroliere.

In comparatie cu minereul de fier, aur, argint sau sare, pentru care exista referiri celebre cum e

cea a lui Herodot, marturiile despre petrol sunt mult mai sarace, urmare si a utilizarii lui la scara mai

redusa. Din titei se extragea doar pacura groasa, restul fiind considerat fara valoare.

Se folosea doar la unsul osiilor, ca medicament pentru bolile de plamâni si de piele si, pe scara redusa,

la iluminatul convoaielor de care sau al unor locuinte boieresti. Distileria de titei realizata de Teodor

Mehedinteanu, in 1857, la Râfov lânga Ploiesti, marcheaza inceputul exploatarii la nivel industrial a

petrolului românesc, precum si etapa petrolului lampant. Denumita „Lumina“, gazaria avea o capacitate

de 2 700 de tone pe an, obtinând la licitatie iluminatul public al capitalei. Inca la inceputul anului 1857,

la Ploiesti intra in functiune prima „Fabrica de gaze“ a lui Marin Mehedinteanu, prima atât din

România, cât si - la acea data - din lume. Cu lampantul obtinut aici, Bucurestiul si-a iluminat strazile,

devenind primul oras al lumii iluminat public cu acest produs.. In acelasi context, sa nu uitam ca

Timisoara a fost primul oras european care s-a bucurat de iluminatul cu gaz natural.

Petrolul se extrage din zacaminte prin sonde. Saparea sondelor se face prin metode mai vechi de

izbire, sau prin metode mai noi de foraj rotativ. Ca metode de extractie se cunosc: eruptia naturala,

eruptia fortata si extractia mecanica (pompare). Eruptia naturala se produce cand presiunea titeiului in

zacamant este suficient de mare ca sa-l ridice prin sonda, pana la suprafata. Cand presiunea in zacamant

nu este suficient de mare, atunci ridicarea petrolului la suprafata este ajutata prin introducere de aer sau

gaze comprimate pana in zacamant. Cu toate acestea, la un moment dat, zacamantul de petrol trebuie sa

fie exploatat prin pompare. Multe zacaminte, chiar de la inceput, nu au presiune suficienta pentru o

eruptie naturala sau ajutata si deci trebuie exploatate prin pompare.

3.3.3. Prelucrarea si utilizarea petrolului:

Petrolul brut extras din pamant este impurificat cu apa si substante minerale in suspensie, a

caror separare se face de obicei inainte de prelucrare. Operatiile la care este supus petrolul se grupeaza

in:

- procedee fizice de separare, dintre care cel mai important este distilarea fractionata;

- procedee de transformare chimica, bazate pe fenomenul de descompunere sau de condesare a

moleculelor componentelor din fractiuni.

38

Prelucrarea primara a petrolului

A) Dezbenzinarea gazelor de sonda

Petrolul brut extras din sonde este insotit de hidrocarburi gazoase, care formeaza asa-numitele gaze

de sonda. De aceea, prima operatie la care este supus petrolul, dupa extragerea lui din zacamant, este

indepartarea gazelor de sonda. O data cu gazele propriu-zise sunt, insa, antrenate din petrolul brut si o

parte din hidrocarburile condensabile la presiunea atmosferica: izopentanul, n-pentanul si omologii lui

superiori pana la octan si nonan. Aceste hidrocarburi, impreuna cu o parte din butan si proportii reduse

de propan, sunt separate prin diferite metode din gazele de sonda (operatie denumita dezbenzinare) si

formeaza gazolina. Din gazolina se poate obtine un amestec de propan si butan, care comprimat in

butelii, este distribuit pentru consum (“aragaz”), precum si un concentrat de izopentan, folosit la

fabricarea benzinelor de avion. Amestecul de hidrocarburi gazoase ramas din gazele de sonda este

folosit de obicei drept combustibil la locul de productie sau transportat prin conducte pentru alte

intrebuintari.

B) Distilarea fractionala a petrolului.

Se deosebesc urmatoarele etape:

Fractionarea petrolului prin distilare la presiune normala (distilare primara)

Se face in instalatii speciale prevazute cu coloane de distilare de diferite sisteme. Prin distilarea

petrolului se obtin fractiuni cu puncte de fierbere pana la 3500C.

Benzinele forneaza prima fractiune obtinuta la distilarea petrolului. Ele sunt lichide incolore cu

miros eterat, alcatuite din hidrocarburi C5-C10 care distila intre 30 si 2000C. In ce priveste separarea

dupa punctele de fierbere se deosebesc: benzina usoara, fractiunea care distila intre 30 si 1000C;

benzina medie I, intre 100 si 1250C, si benzina medie II, intre 125 si 1500C; benzina grea I, imtre 150 si

1750C si benzina grea II, intre 175 si 2000C. Componentele principale ale benzinelor sunt alcani (40-

75%) si cicloalcani (20-60%) cu C5-C10. Continutul de hidrocarburi aromatice al benzinelor este, in

medie, 10-12%. Sunt insa si unele petroluri care dau benzine ce contin chiar pana la 40% hidrocarburi

aromatice. Benzinele se folosesc in special drept carburanti pentru motoare cu explozie, apoi ca

dizolvanti, agenti de extractie etc.

Petrolul lampant este un lichid incolor, cu usoara fluorescenta. El este alcatuit din componente

care distila intre 200 si 2500C. Petrolul I este fractiunea 200-2300C, iar petrolul II, fractiunea 230-250 0C. Componentele sunt in mare parte hidrocarburi cu C10-C15, alaturi de care se mai gasesc compusi cu

39

oxigen ( acizi, fenoli ) si compusi cu sulf. Dintre hidrocarburi s-au putut indetifica in petrolul lampant

atat hidrocarburile saturate aciclice cu molecule mai mari decat C10, cat si hidrocarburile aromatice ( in

proportii de 20-50%). De asemenea, si procentul de hidrocarburi naftenice este destul de ridicat. In

afara de intrebuintarea lui uzuala pentru iluminat si incalzit, petrolul lampant este folosit tot mai mult

drept carburant pentru turboreactoare de aviatie si pentru rachete cosmice.

Motorina este alcatuita din componente care distila intre 250 si 2900C, formand motorina I, si

intre 290 si 3500C, formand motorina II. Este un lichid galben-brun. Hidrocarburile care o compun

sunt cu C12- C 20, atat cele cu caracter saturat(aciclice si ciclice) cat si cele aromatice, proportia lor

variind foarte mult. Principalii compusi cu oxigen prezenti in motorine sunt acizii naftenici si acizii

grasi (cazul motorinelor din petrolurile din tara noastra). Motorina esta intrebuintata mai ales drept

combustibil pentru motoarele Diesel si pentru instalatii termice cu injectoare. Ea se mai foloseste ca

lubrifiant pentru masini frigorifice, drept component lichid pentru fabricarea unsorilor consistente etc.

Pacura este reziduul care ramane de la distilarea petrolului brut. Este un lichid vascos, de

culoare neagra, alcatuit din hidrocarburi cu puncte de fierbere mai mari de 3500C. Cantitativ, reprezinta

aproximativ jumatate din petrolul supus distilarii primare. Prin prelucrarea mai departe a pacurii se

obtin: uleiurile, parafina si asfaltul. Pacurile provenite din petroluri cu caracter diferit au proprietati

diferite, de aceea, si utilizarea lor este variata. Astfel, unele pacuri se folosesc drept combustibil in

motoare Diesel (in amestec cu motorina) sau la instalatii termice cu injectoare, altele sunt supuse unor

tratamente, fie pentru extragerea uleiurilor (prin distilare), fie pentru obtinerea benzinelor (prin

cracare).

Fractionarea pacurii prin distilare la presiune redusa (distilare secundara)

Se face pentru a cobora temperatura de fierbere a componentelor care la presiune normala nu pot fi

distilate deoarece se descompun. Prin aceasta fractionare a pacurii se obtin motorine, mai ales grele, si

uleiuri, lichide vascoase, incolore sau colorate de la galben pana la brun.

Uleiurile sunt alcatuite din hidrocarburi cu C20 – C50, cu structura complexa, continand

parafine, cicluri aromatice si naftenice. Spre deosebire de alte fractiuni petroliere, uleiurile nu sunt

diferentiate dupa domeniul temperaturilor de fierbere, ci dupa vascozitate, care este cea mai importanta

caracteristica a unui lubrifiant. Uleiurile se intrebuinteaza pentru ungerea masinilor si a motoarelor cu

explozie, pentru izolarea electrica, la transformatoare etc. Folosirea lubrifiantilor pentru scopuri

fundamental diferite (motoare Diesel, automobile, mecanisme de ceasornice etc.) necesita si calitati

deosebite. Deoarece calitatile cerute nu pot fi obtinute insa numai prin alegerea fractiunii petroliere, se

folosesc adaosuri fie de uleiuri de provenienta animala sau vegetala (uleiuri compoundate), fie de asa-

40

numiti aditivi, substante care in doze mici influenteaza esential calitatile unui ulei (vascozitate,

comportare la temperaturi joase sau inalte, stabilitate la oxidare etc.).

Parafina se obtine din produsele distilarii secundare a unei pacuri parafinoase. Separarea

parafinei de uleiuri se face prin racire la temperatura joasa in vederea cristalizarii ei, dupa care urmeaza

separarea cristalelor de parafina prin filtrare, tot la temperatura joasa, sau, uneori, prin centrifugare. Din

punctul de vedere al compozitiei chimice, parafina este formata dintr-un amestec complex de alcani cu

numar mare de atomi de carbon (C21 – C30). Parafina este o masa semiopaca, insolubila in apa ai

alcooli, solubila in benzen, sulfura de carbon etc. Calitatile parafinei (parafina pentru chibrituri,

parafina moale, parafina semitare si parafina tare) sunt determinate de punctul de congelare, continutul

in uleiuri, dar si de culoare si miros. In functie de aceste calitati, parafina se intrebuinteaza in cantitati

mari la fabricarea lumanarilor, pentru impermeabilizarea tesaturilor si a hartiei, ca adaos la pulberi si

explozivi, drept component la fabricarea cerurilor, ca izolant electric etc.

Vaselina bruta sau petrolatum este un produs alifios, microcristalin, care se obtine din

reziduurile de la distilare, bogate in produse parafinoase. Prin rafinare se obtine apoi vaselina

farmaceutica, de culoare galbena sau alba (punct de picurare 35 - 600C). Vaselina este folosita in

medicina si cosmetica, iar in tehnica ca lubrifiant si agent anticorosiv. Vaselina artificiala se prepara

prin dizolvarea parafinei, cu adaos de cerezina, in uleiuri minerale rafinate. Ea este inferioara calitativ

vaselinei naturale.

Asfaltul sau bitumul se obtine ca reziduu la distilarea pacurii sau la oxidarea acesteia. El este o

masa neagra, moale, plastica si lipicioasa, care pe masura ce distilarea este inaintata devine din ce in ce

mai dura. Asfaltul, din punct de vedere chimic, contine mai ales aromatice cu multe cicluri, acizi si

rasini cu molecule mari si alte diferite substante care contin oxigen. El este intrebuintat pentru

impregnarea cartonului (carton asfaltat), pentru etansarea mufelor si conductelor din industria chimica,

ca liant pentru brichete, ca mijloc rudimentar de protectie a fierului contra ruginii, ca material izolant,

la pavarea drumurilor etc.

C) Rafinarea produselor petroliere

Procedeele de distilare permit obtinerea din petrolul brut a unor fractiuni cu anumite domenii de

fierbere, adecvate scopului folosirii. Ele nu influenteaza insa compozitia chimica a produselor,

respectiv continutul in alcani, naftene si aromate, ceea ce este de deosebita importanta pentru calitatea

produsului.

41

Rafinarea prin extractie.

Indepartarea anumitor grupe de substante nedorite, respectiv o separare a fractiunii in asa-

numite “rafinate” si “extracte”, cu caracter chimic diferit, se realizeaza prin extractie. Procedeul se

bazeaza pe tratarea amestecului lichid care trebuie separat, cu un dizolvant selectiv, adica cu un lichid

partial miscibil cu materialul tratat si care poseda o capacitate de dizolvare cat mai diferita pentru

grupele ce trebuie indepartate. Prin folosirea unui dizolvant selectiv se realizeaza o imbogatire a

componentelor mai solubile. In practica, separarile se realizeaza prin extractie in contra curent in

coloane umplute cu materiale cu suprafata mare (de exemplu inele Raschig).

Primul procedeu cu dizolvanti selectivi este procedeul Edeleanu, introdus in practica in 1911,

cu scopul imbunatatirii proprietatilor de ardere in lampi a unor lampante, prin indepartarea

hidrocarburilor aromatice. Extractia hidrocarburilor aromatice se realizeaza cu bioxid de sulf lichid.

Procedeul este aplicat astazi nu numai pentru scopul initial, ci si pentru obtinerea unor extracte

aromatice, antidetonante, din benzine, pentru imbunatatirea proprietatii de aprindere a unor motorine

(pentru motoare Diesel) etc. Pentru obtinerea unor hidrocarburi aromatice pure din amestecuri de

hidrocarburi se mai foloseste ca dizolvant selectiv un amestec de glicol si apa (procedeul Udex).

Aplicatia cea mai importanta a procedeelor de extractie o reprezinta imbunatatirea calitatii

lubrifiantilor. Pentru obtinerea unor lubrifianti de calitate sunt necesare urmatoarele:

- indepartarea componentelor asfaltoase, care se face folosind propanul lichid ( in care

componentele asfaltoase sunt insolubile);

- deparafinarea, care poate fi realizata prin cristalizare, utilizindu-se mai ales tot propan

lichid, prin a carui vaporizare partiala, solutia se raceste la – 400C, cand are loc separarea

parafinei; de asemenea, se poate folosi ca dizolvant selectiv un amestec de metiletilcetona

(MEC) si benzen;

- imbunatatirea indicelui de vascozitate, care poate fi realizata prin diferite procedee, ca de

exemplu procedeul Edeleanu, procedeul cu furfurol, procedeul cu fenol.

Rafinarea chimica

Se aplica in vederea imbunatatirii calitatii (stabilitate, nocivitate, culoare, miros) produselor

rezultate prin procedeele de prelucrare a petrolurilor brute. Pentru realizarea acestui scop se urmareste

indepartarea in special a compusilor cu oxigen(acizi grasi, acizi naftenici, fenoli), a unor compusi cu

sulf (hidrogen sulfurat, mercaptani etc. ), a unor compusi cu azot ( baze piridice ), a unor hidrocarburi

nesaturate, etc. Metodele de rafinare uzuale folosesc acid sulfuric, hidroxid de sodiu, solutie de

plumbit, pamant decolorant etc. Recent sunt aplicate metode de transformare catalitica.

42

Rafinarea cu acid sulfuric este economica si poate fi aplicata practic la toate produsele

petroliere. Taria acidului pentru rafinare depinde in mare masura de tipul produsului si scopul rafinarii.

O temperatura mai ridicata favorizeaza indepartarea hidrocarburilor aromatice, alchenelor si

substantelor asfaltoase.

Tratarea cu hidroxid de sodiu se foloseste pentru indepartarea componentelor acide din distilate

(acizi naftenici fenoli, hidrogen sulfurat etc.) sau a celor provenite in urma prelucrarii sau rafinarii

acide (acid sulfuric, sulfati acizi de alchili, sau sulfati de dialchili).

Desulfurarea se aplica produselor petroliere, cum sunt benzinele si lampantul, care contin

compusi cu sulf, ca de exemplu mercaptani. Indepartarea produsilor cu sulf, respectiv transformarea lor

in compusi mai putin daunatori, se poate face prin: procedee oxidative, prin care mercaptanii sunt

transformati in disulfuri, mai putin daunatoare; procedee extractive, prin care mercaptanii sunt

solubilizati prin tratare cu lesii alcaline; procedee de desulfurare catalitica, prin care combinatiile cu

sulf sunt transformate in H2S, care apoi este indepartat prin spalare.

Prelucrarea secundara a produselor petroliere

Metodele de distilare, fractionare, extractie si cristalizare sunt metode fizice adecvate separarii

petrolului in grupe de hidrocarburi.Insa, pentru satisfacerea cerintelor variabile si mereu crescande ale

consumului si pentru o valorificare cat mai rationala a petrolului este necesara si o transformare pe cale

chimica a componentelor sale.

Cracarea si reformarea.

Prin cracare se intelege scindarea unor hidrocarburi din petrol, cu masa moleculara mare si

punct de fierbere ridicat (motorine si reziduuri de la distilarea primara ), sub influenta unor temperaturi

ridicate (450-5500 C), si, eventual a unor catalizatori, in fractiuni mai mici, cu puncte de fierbere mai

joase. Cracarea consta din o serie de reactii primare si secundare, de obicei greu de separat si urmarit.

In principiu, materialul initial format din compusi cu masa moleculara mare este scindat in cateva

fractiuni ( produse intermediare ), din care rezulta apoi benzina si gaze. Daca, insa, aceste produse de

reactie raman in continuare expuse in conditiile de cracare, intervin reactii secundare care duc, in sens

invers la compusi cu masa moleculara mare, anume gudroane sau chiar cocs. Hidrogenul existent in

materia prima nefiind suficient pentru saturarea tuturor hidrocarburilor rezultate la cracare, in produsul

de cracare apar alchene si alcadiene, care, fiind foarte reactive, pot suferi cu usurinta transformari

ulterioare. Produsul final este deci o suprapunere a acestor reactii determinat de durata si temperatura

de cracare. In practica, conditiile de cracare trebuie astfel alese incat sa rezulte o proportie maxima de

benzina si o proportie minima de gaze, gudroane si in special de cocs. Cracarea termica a fost primul 43

procedeu de cracare aplicat in productie. El este folosit pentru cracarea motorinelor si a reziduurilor de

distilare, cum si pentru reformarea benzinelor grele. Procedeele de cracare termica in faza de vapori se

aplica petrolurilor sau motorinelor. Se lucreaza la temperaturi pana la 6000C si presiune joasa. Benzina

obtinuta are calitati antidetonante, dar este puternic nesaturata si deci instabila.De aceea, pentru

obtinerea benzinelor auto se prefera procedeul catalitic; totusi, produsul obtinut prin cracare in faza de

vapori poate folosi ca materie prima cu caracter nesaturat necesar industriei petrochimice.

Reformarea termica este un procedeu dupa care o benzina grea, cu cifra octanica mai redusa,

este transformata intr-o benzina cu cifra octanica ridicata. Procesul consta intr-o cracare termica, la

temperaturi de 500-6000C si presiuni de 40-80 atm.

Cracarea catalitica prezinta fata de procedeele termice avantajul unei accelerari esentiale a

procesului de cracare, obtinerii unor randamente mai ridicate in benzine si, in special realizarii unei

calitati superioare a produselor rezultate. Procedeele de cracare catalitica sunt aplicatii ale catalizei

eterogene (catalizatorul in stare solida este pus in contact cu materialul de cracat, care se gaseste in

stare de vapori sau in stare lichida). De aceea, prezinta importanta suprafata activa si compozitia

chimica a catalizatorului. Sunt folositi, drept catalizatori, hidrosilicatii de aluminiu cu compozitia 70-

80% SiO2, 10-20% Al2O3 si cel mult 10% alti oxizi ( NiO, MgO, Fe2O3 ). Cracarea catalitica se

realizeaza in faza de vapori; motorina si pacura, la 480oC si 1-2, 5 atm, este trecuta peste un strat de

catalizatori (silicat de Al). La cracarea catalitica se obtin randamente mai mari de benzina, cu caracter

mai saturat. De exemplu:

H3C-(CH2)8-CH3 catalizator 540 CH3-(CH2)3 –CH3 + H2C=H2C + H2C=CH-CH3

Prin cracare catalitica se obtin benzine cu cifra octanica foarte ridicata. Pot fi supuse procesului

de cracare catalitica numai fractiuni petroliere nete (de obicei motorine), dar nu reziduri.

Reformarea catalitica, adica transformarea catalitica a benzinelor grele, reprezinta un procedeu

important si inca in dezvoltare. Prin reformare catalitica se pot obtine nu numai benzine auto

antidetonante, ci si produse cu caracter aromatic, care pot fi folosite drept adaosuri pentru benzine de

aviatie, cum si compusi aromatici puri. In comparatie cu procedeele de reformare termica, procedeele

de refomare catalitica dau randamente mai bune in benzine cu calitati antidetonante superioare.

Petrolul ca materie prima pentru industria chimica

O ramura a industriei chimice, este industria petrochimica, adica acea parte din tehnologia chimica

organica care foloseste produse obtinute din petrol ca materii prime pentru sinteze. Petrochimia a luat o 44

dezvoltare accelerata, mai ales stimulata de cerintele ivite dupa cel de-al doilea razboi mondial,

intrecand cu mult ritmul de dezvoltare a industriei carbochimice. In prezent exista o mare varietate de

produse petrochimice (peste 3000), cu numeroase utilizari atat in ce priveste consumul productiv cat si

ca bunuri de consum. Se apreciaza ca produsele industriei petrochimice reprezinta, pe plan mondial,

circa o treime din valoarea totala a productiei chimice.

Importanta industriei de extragere si prelucrare a titeiului precum si produsii obtinuti, se poate

urmarii pe schema de mai jos:

Fig. 2. Prelucrarea titeiului

Cifra octanica si cetanica

A) Cifra octanica (C.O.) sau indicele octanic arata comportamnetul la detonatie a unui combustibil

(ex. benzina) pentru motoarele cu ardere interna. S-a constat ca hidrocarburile care intra in compozitia

benzinelor se comporta diferit in motor in ce priveste fenomenul de detonatie, in timp ce alcanii

normali produc detonatie puternica in motor, izoalcanii si hidrocarburile aromatice impiedica aparitia

acestui fenomen. Pentru a aprecia tendinta la detonatie a unei benzine se compara comportarea ei intr-

un motor experimental si in conditii standard cu a amestecurilor formate din hidrocarburile n-heptan

(C7H16 ), considerat ca avand cifra octanica zero ( care produce detonatie puternica in motor) si

izooctan (2, 2, 4- trimetil-pentan), caruia i s-a atribuit cifra octanica 100 (putin sensibil la

autoaprindere). Datorita proprietatilor sale antidetonante, izooctanul a fost luat ca substanta de

referinta. Cifra octanicaC.O. a unei benzine reprezinta deci, procentul in volume, de izooctan dintr-un

45

amestec de izooctan cu heptan normal. Cu cat este C.O. a unui combustibil mai mare cu atat rezistentat

sa la detonatie este mai mare. Cifra octanica C.O. a unei benzine se poate imbunatati prin adaos de mici

cantitati de antidetonanti care impiedica combustia detonanta in motoare. Cel mai utilizat este tetraetil-

plumbul, Pb(C2H5)4.

B) Cifra cetanica (sau indicele cetanic) - valoarea numerica care reprezinta procentul, in volume,

de cetan (n-hexadecan, C16H34) intr-un amestec al acestuia cu a-metilnaftalina. Pentru aprecierea cifrei

cetanice s-a ales o scara arbitrara potrivit careia s-a atribuit cetanului (C16H34 ), valoarea 100 iar a-

Metilnaftalinei (C10H7-CH3), valoarea 0. Cifra cetanica arata tendinta spre aprindere a combustililor (ex.

motorinei etc.) folositi in motoarele Diesel, cu auto-aprindere. Cu cat cifra cetanica a unui combustibil

este mai mare cu atat mai usor se aprinde combustibilul. La combustibilii obisnuiti folositi la motoarele

Diesel, cifra cetanica variaza intre 35 si 55.

3.3.4. Poluarea cu titei

Daca la poluarea aerului imaginea-simbol este oferita de arborii "perforati" de "ploile acide", la

poluarea apei expresia caracteristica ar putea fi considerate "mareele negre", adica poluarea, cu petrol a

marilor si oceanelor lumii, avand efecte dezastroase asupra florei si faunei marine. Analizele necesare

cunatificarii efectelor negative asupra mediului generate de contaminarea cu hidrocarburi sunt deosebit

de complexe, cum ar fi: analize spectrale in UV-VIZ, GC – MS, analize gravimetrice.

Utilizarea petrolului provoaca poluari masive ale aerului in multe orase. Gazele de esapament

evacuate de autoturisme si de alte masini cu combustie interna contin gaze otravitoare cum ar fi

monoxidul de carbon, hidrocarburi nearse, oxizi de azot si plumb. Unii dintre acesti agenti de poluare

reactioneaza cu lumina soarelui producand acel smog neplacut, fotochimic, care pluteste deasupra

multor orase. Atunci cand acizii de azot se combina cu picaturile de apa din nori, ia nastere ploaia acida

care polueaza lacurile si raurile, distrugand si padurile. S-au facut pasi importanti pentru a micsora

efectul gazelor de esapament. Se produce benzina fara plumb, iar unele masini sunt dotate cu filtre

catalitice care transforma gazele nocive in gaze inofensive. Insa eficienta acestor imbunatatiri este

diminuate de cresterea consumului de petrol.

Poluarea apei cu produse petroliere reprezinta o problema deosebit de importanta si greu de

prevenit si remediat. Afecteaza atat apele de suprafata, cat si pe cele subterane. Consecintele acestui tip

de poluare asupra proprietatilor organoleptice ale apei, faunei si florei acvatice sunt deosebit de nocive

si durabile. Reziduurile de petrol ajung in bazinele naturale de apa prin deversarea de ape reziduale

rezultate de la rafinarii, uzini de cracare si alte instalatii de prelucrare a titeilui. Aceste reziduuri conduc 46

la cresterea temperaturii si turbiditatii, la formarea unei pelicule de petrol la suprafata apei sau a unor

emulsii ( apa- petrol sau petrol-apa ) si la schimbarea compozitiei apei, prin dizolvarea in aceasta a

substantelor petroliere solubile, toxice in anumite concentratii, pentru organismele acvatice, om si

animale. Petrolul deversat contine hidrocarburi care sunt poluanti si afecteaza atat pe termen scurt, dar

mai ales pe termen lung comunitatile marine.Unele studii au demonstrat ca in timp mor mai multe

animale si pasari decat in momentul producerii catastrofei ecologice.

In incidentele majore de poluare sunt mereu implicate produsele petroliere sau petrolul.

Spalarea tancurilor petroliere reprezinta echivalentul a 8 pana la 20 de milioane de barili de petrol pe an

care s-ar deversa in oceane in mod deliberat. Un incident major a fost cel de la Torry Canyon care a

avut loc pe tarmul regiuni Carwall, Anglia in1967. Aici au fost distruse toate formele de viata de pe

tarm si lumea marina, printre care crabi, melci, pesti si pasari marine. Lipsa de experienta privind

operatiile de curatare au dat nastere la alte catastrofe asupra faunei si florei, prin utilizarea detergentilor

nediluati. De curand s-a produs recolonizarea cu alge marine care a fost imediat urmata de aparitia

algelor brune si a molustelor. Restaurarea florei si faunei s-a instaurat in 6 ani, dar in 1978 catostrofele

au continuat cu Amco Cadiz, pe tarmul Breton al Frantei, 1989 cu Exxon Valdez care a avut loc pe

coasta de nord-vest a Americii de Nord raspandind in jur de 26.000de barili de titei, pe o lungime de

1800 km. Cea mai mare deversare de titei de pana acum a reprezentat-o sabotajul deliberat al puturilor

petrolierului din Kuweit prin care s-au eliberat 2, 5-5 milioane de barili de petrol in Golful Persic.

Oamenii de stiinta sustin ca deocamdata exista prea putine cercetari asupra expunerii mediului

inconjurator la poluarea cu petrol. O cunoastere mai buna a impactului pe termen lung al deversarilor

de petrol, poate aduce un avantaj major in gestionarea si combaterea efectelor asupra mediului si a

vietii marine.

Masurile ce se pot lua pentru curatarea zonelor impregnate cu petrol deversat sunt:

A) izolarea zonei cu ajutorul ambarcatiunilor de salvare. Daca pompele aflate pe vas sunt in stare

de functionare si exista rezervoare neavariate, petrolul poate fi recuperat din apa si restocat, dar urmele

dezastrului ecologic nu pot fi sterse.

B) apelarea la solventi, insa si acestia sunt tot substante chimice. Solventii destinati spalarii apelor,

maresc la randul lor efectele poluarii si nici nu pot fi impastiati uniform pe suprafetele afectate de

deversarile accidentale cu titei. Ecosistemele marine sunt expuse in acest fel unei duble poluari. Un

litrtu de petrol ajuns pe suprafata apei, formeaza o pata a carei marime poate atinge dimensiunile unei

jumatati dintr-un teren de fotbal.

C) bacterii care inlatura petrolul deversat au fost descoperite de o echipa de cercetatori de la

Institutul de Cercetari Stiintifice din Spania. Anumite bacterii de pe coasta galitiei sunt capabile sa 47

elimine in mod natural petrolul deversat in timpul naufragiilor. Expertii in domeniu au observat ca

aceste vietuitoare minuscule, aflate in ecosistemul marin, pot degrada in mod natural compusii titeiului.

3.4. Gazele naturale

Prin gaz natural se inteleg hidrocarburi gazoase provenite din 2 tipuri de surse:

1. zacaminte asociate cu cele de petrol, in care caz avem de-a face cu gazele de sonda

2. zacaminte independente, care nu au nici o legatura evidenta cu cele de petrol.

Cele 2 tipuri de gaze naturale au in comun faptul ca metanul CH4, predomina net fata de toate

celelalte componente ale amestecului. In rest exista o deosebire de compozitie relative pronuntata:

gazelle de sonda fiind compleze, pe cand celelalte gaze naturale sunt alcatuite din mai putine

componente.

3.4.1. Originea si proprietatile gazelor naturale

Gazele naturale se formeaza la o adancime mai mare decat titeiul. Goelogii considera ca

formarea gazelor naturale in sudul Marii Nordului a inceput in perioada carbonifera (acum 300 286 de

milioane de ani), cand a inceput acumularea straturilor de carbune din plantele moarte ale mlastinilor.

Stratul carbonifer s-a scufundat si a fost ingropat de straturile de roci. In final, la aproximativ 4 km sub

sol caldura Pamantului a provocat degajarea gazelor din carbune. Gazele s-au ridicat prin rocile

permeabile pana cand au intalnit straturile impermeabile si s-au acumulat “capcane”. Gazele naturale

au luat nastere fie prin degradare biochimica a materiei organice depozitata in rocile sedimentare aflate

la adincime mica, fie prin degradarea chimica a resturilor organice aflate in roci veci. Zacamintele de

gaze naturale neasociate cu petrolul repezinta metan CH4, cu o puritate ce poate atinge 99%. In alte

regiuni ai globului alaturi de metan se gaseste: hidrogen sulfurat ( care atinge 15, 4% din totalul

compozitiei) in gazul de la Lacq, in sudul Frantei; heliu (S.U.A), bioxid de carbon, precum mici

cantitati de propan si butan. Hidrogenul sulfurat din aceste gaze constitue o sursa industriala de

extragere a sulfului, iar pentru obtinerea heliului, gazele naturale reprezinta singura surs economica.

Toate aceste amestecuri gazoase se gasesc la presiuni foarte ridicate (câteva sute de atmosfere) si la

temperaturi de peste 100o C. Ele se afla in stare absorbita in roci poroase, pe care gazele le „imbiba”.

Datorita suprafetei uriase de contact dintre roca poroasa si gaze si din pricina presiunii inalte care

domneste in zacamânt, roca poate dezvolta, in conditii normale volume de gaz care intrec de mii de ori

volumul propriu al rocii. O situatie oarecum asemanatoare se realizeaza in buteliile cu absorbent poros 48

de acetilena. Gazele de sonda contin proportii mult mai mari din alcanii cu 2-5 atomi de corbonii (etan,

propan, butan, izobutan, pentan si izopentan). Alaturi de acestea apar uneori si mici cantitati de etena.

Metanul- CH4

A fost descoperit de A. Volts in 1778 in malul baltilor si a fost numit prima oara gaz de balta.

Metanul este cel mai simplu alcan, o hidrocarbura saturata aciclica, primul termen al seriei de

hidrocarburi parafinice. Se gaseste sub forma de zacaminte naturale in stare destul de pura, la noi in

tara puritatea metanului fiind de 99%. Cantitati apreciabile de gaz metan se gasesc si in minele de

carbuni.

Metanul se produce si acolo unde a avut loc o fermentare a celulozei in absenta aerului, sub

influenta unor bacterii anaerobe, de aceea, din fundul baltilor, unde continuu plutesc plante, se degaja

uneori metan. Materiile organice provenite din plante, animale se transforma in CH4, cand sunt supuse

degradarii de catre anumite bacterii care nu folosesc oxigenul din aer pentru respiratie.La suprafata

baltilor si a mlastinilor se observa unori degajarea unor bule de gaz, care in combinatie cu o flacara,

provoaca o mica explozie cu zgomot caracteristic: este metanul format prin putrezirea materiei

organice in namolul de pe fundul baltilor.

Este un component in proportie de 20-30% din gazul de iluminat rezultat prin distilarea uscata a

huilei. Separarea metanului din gazul de iluminat constituie un izvor pentru obtinerea lui in tarile

bogate in zacaminte de carbuni. Ca si petrolul, gazul metan se dextrage din zacaminte prin sonde. De la

locul de extractie, el este trimis prin conducte pana la centrele de consum. Metanul apare si in minele

de carbuni unde impreuna cu aerul formeaza amestecul exploziv denumit gaz grizu.

Proprietatile metanului

Metanul este un gaz incolor, fara miros, mai usor decat aerul. Este foarte putin solubil in apa

(sub 1%), dar solubil in alcool si eter. Arde cu flacara putin luminoasa, cu degajare mare de caldura. Un

amestec de metan si oxigen sau aer explodeaza in prezenta unei scantei. Asa se explica exploziile care

se produc uneori in minele de carbuni, unde se gasesc cantitati insemnate de metan. Produsele de ardere

a metanului sunt bioxid de carbon si apa. Fiind un alcan reprezinta toate proprietatile clasei avand insa

si unele caractere specifice:

- se poate halogena

- se oxideaza degajand cantitati apreciabile de caldura (8300 kcal/m3, ceea ce face din metan

un valoros combustibil

- in anumite conditii termice diferite si variate se poate transforma in numeroase produse:

negru de fum, acetilena, acid cianhidric.49

Intrebuintarile metanului sunt multiple si interesante, in special in industria chimica pentru care

metanul este una din cele mai valoroase materii prime.

Chimizarea metanului se poate realiza pe urmatoarele cai:

1) Prin piroliza, se obtine negru de fum de calitate superioara, care poate fi folosit in industria

cauciucului, a cernelurilor de tipar, a lacurilor si vopselelor negre, etc. La temperaturi de peste 1350 C

in anumite conditii, se obtine acetilena.

CH4 + O2 → C + 2H2O negru de fum

2CH4 → CH ≡ CH +3H2 (acetilena) Conditii: 1500°C

2) Prin oxidarea partiala a metanului se obtine, gazul de sinteza

CH4 + H2O CO + 3 H2

650-900°C

din care se pot fabrica: alcool metilic, alcooli superiori, benzine de sinteza. Prin oxidarea catalitica

a metanului rezulta la 600-7500 C formaldehida.

3)  Clorurarea metanului este o cale de obtinere a unor dizolvanti si agenti frigorifici. Prin nitrarea

metanului se obtine nitrometanul, folosit ca bun dizolvant si in unele sinteze organice.

4) Prin amonooxidare (tratarea cu amoniac si oxigen, respectiv aer) din metan se fabrica acid

cianhidric, din care se obtine, pe langa cianurile alcaline, diferite produse intermediare pentru industria

materialelor plastice, a fibrelor sintetice, a cauciucului sintetic, etc. Tot din metan se poate obtine si

sulfura de carbon, prin tratare cu sulf la 600-7000 C, in prezenta catalizatorilor).

Amonooxidarea este reactia metanului cu amoniac si aer, cu formare de acid cianhidric:

CH4 + NH3 + 3/2O2 HCN + 3 H2O

Produsele chimice obtinute prin reactiile descrise mai sus si-au gasit largi aplicatii industriale in

marile combinate chimice ale tarii noastre, fiind prelucrate in continuare, prin alte procese chimice.

O alta cale pentru valorificarea metanului o poate constitui utilizarea lui ca agent energetic.

Gazul metan este un combustibil superior carbunelui si chiar produselor petroliere la incalzitul

cuptoarelor industriale el prezita avantaje din punct de vedere tehnic si economic: puterea calorifica

mai mare, cheltuieli de exploatare si transport mult reduse, iar cele de depozitare inexistente.

Datorita avantajelor tehnologice si energetice pe care le detin, gazele naturale au devenit din ce

in ce mai cerute de consumatori, fapt care a dus pe de o parte la o crestere a consumului implicit si

50

diminuarea rezervelor mondiale si necesitatea desciperirii unor noi zacaminte de petrol si gaze naturale.

Specialistii isi focalizeaza interesul tot mai mult, asupra gazelor neconventionale ( gazele din zonele de

geopresiune, gaze din formatiunile impermeabile, metan provenit din zacaminte de carbuni).Acestor

gaze li se contureza o larga utilizare in viitor. Sub aspectul consumului de gaze naturale pe plan

mondial se contureaza 3 regiuni de mare consum: America de Nord, Europa si Asia de Est. Cercetarile

se indreapta spre descoperirea unor noi surse alternative de energii inepuizabile, nepoluante, acest lucru

aducand beneficii mediului inconjurator, implicit caminului nostru oferit cu atata generozitate de

planeta Pamant.

3.4.2. Rezerve de gaze naturale

Gazele naturale asigura cam 20% din energia mondiala. Rezervele mondiale de gaze naturale au

cam aceleasi dimensiuni ca si rezervele de petrol, desi se masoara in unitati diferite. Cel mai mare

producator mondial de gaz metan este Rusia (657 mild. metrii cubi anual), urmata de SUA (487 mild.

metrii cubi anual), Canada (96 mild. metrii cubi anual), Olanda (80 mild. metrii cubi anual), Marea

Britanie (45 mild. metrii cubi anual). In zonele in care resursele de gaze naturale sunt insuficiente

oameni in recurg la gaze produse pe cale industriala. Materia prima pentru producerea acestora este

carbunele.

Exploatarea gazelor naturale se face prin foraje, iar transportul prin racordarea tubului de sonda

introdus in zacamant la un sistem de conducte care transporta gazul direct la consumator, dupa

reducerea considerabila a presiunii. Intre aceste tuburi se intercaleaza acolo unde este necesar, instalatii

de epurare a gazului. Aceste instalatii servesc la indepartarea impuritatilor in asa fel incat in conducte

sa se trimita doar gaz metan pur.

51

4. IMPACTUL ARDERII COMBUSTIBILILOR ASUPRA MEDIULUI IN GENERAL SI

CLIMEI IN SPECIAL

La arderea combustibililor, în general, se produc o serie de poluanţi ai mediului, ca de exemplu:

oxizi de carbon;

oxizi de azot;

oxizi de sulf.

Oxizii de carbon, CO2 şi CO

Prin arderea unui combustibil, în general rezultă şi CO2 (alături de apă şi alţi compuşi).

Un compus nedorit, care rezultă alături de CO2 este CO. Cauzele principale sunt:

- arderea în cantitate insuficientă de oxigen;

- temperatura flăcării şi timpul de staţionare a gazului la temperaturi ridicate;

- amestecul neomogen aer-combustibil.

Principalele reacţii posibile sunt:

2C + O2 2CO

2CO + O2 2CO2

CO2 + C 2CO

CO2 → CO + O

Viteza de reacţie de formare a CO este de aproximativ 10 ori mai mare decât viteza de transformare

în CO2. În consecinţă, CO apare ca intermediar în toate reacţiile de ardere. Cand se realizează una dintre

condiţiile menţionate mai sus se formează CO. Aproximativ 60% din totalul emisiilor de CO se datorează

transporturilor.

Impactul asupra mediului şi sănătăţii

Monoxidul de carbon este toxic deoarece reacţionează cu hemoglobina din sânge putând duce

până la blocarea sistemului de transport al oxigenului. În mod normal, rolul hemoglobinei este de

a transporta oxigenul de la plămâni la celule şi CO2-ul de la celule la plămâni.

Contribuie la formarea smogului, cauzand afectiuni toracice pulmonare

52

CO2 alături de azotaţi, fosfaţi, sulfaţi, K, Mg, Ca, în concentraţii peste anumite limite, determină

fenomenul de eutrofizare, adică creşterea excesivă a plantelor acvatice. CO2 provine atât din

atmosferă cât şi din descompunerea materiei organice:

2 {CH2O} > CO2 + CH4

Efectul de seră: CO2, freonii, H2O, CH4, N2O, O3 sunt principalele gaze responsabile de acest efect.

Temperatura suprafeţei Pământului se poate calcula după formula:

Te =

unde: Te – temperatura efectivă a Pământului

– constanta lui Boltzmann

S – constanta solară.

Constanta solară reprezintă media anuală a intensităţii radiaţiei solare care ajunge în

atmosferă. Valoarea calculată teoretic pentru Te este de -18ºC. În realitate temperatura scoarţei terestre are

valoarea medie de 15ºC. Explicaţia este tocmai efectul de seră. Aşadar, acesta este un fenomen natural

responsabil de temperatura reală a suprafeţei terestre. Problemele apar când influenţa efectului de seră este

mai accentuată, determinând creşterea temperaturii peste valoarea medie menţionată mai sus. Explicaţia este

relativ simplă: gazele de seră captează majoritatea radiaţiilor termice care altfel ar părăsi suprafaţa

Pământului, fenomen care produce încălzirea atmosferei. Metaforic spus, gazele de seră acţionează ca o

’’cuvertură termică’’ în jurul globului terestru, contribuind la modificarea climei. În ultimii ani au avut loc

modificări ale climei mai evidente decât s-a prevăzut.

Pe viitor trebuie făcute eforturi pentru reducerea gazelor de seră pentru a evita modificările nedorite

ale climei. În acest sens menţionăm următoarele categorii de metode:

a) reducerea cantităţii de CO2 degajate în mediu;

b) captarea din mediu a CO2-ului deja existent şi stocarea acestuia;

c) reducerea cantităţii de CO degajate în mediu.

Pentru a reduce cantitatea de CO2 degajată în mediu trebuie redusă cantitatea de combustibili fosili şi

utilizarea surselor neconvenţionale. Referitor la varianta b) subliniem faptul că mai mult de jumătate din

53

emisiile de CO2 au loc la sursele staţionare (termocentrale, rafinării, instalaţii industriale). O idee ar fi

separarea CO2 de celelalte gaze emise şi concentrarea sa până la aproximativ 90% CO2. După aceea, trebuie

realizată stocarea acestuia. Se poate realiza în stare de agregare gazoasă, lichidă şi solidă.

În stare gazoasă se poate stoca prin injectare în zăcămintele epuizate de petrol sau gaze, în

formaţiunile geologice saline sau în straturile subterane de cărbuni. Când se injectează CO2 într-un strat de

cărbune s-a observat că acesta se fixează preferenţial, eliberând gazul metan. În stare lichidă se poate stoca

în Oceanul Planetar, iar în starea solidă prin reacţia CO2 cu oxizii metalici pentru a produce carbonaţi stabili.

Pentru a reduce cantitatea de CO emis de motoarele cu ardere internă se încearcă mai multe procedee:

- perfecţionarea carburatorului;

- realizarea unor reactoare pentru gazele de eşapament; menţionăm două tipuri de astfel de reactoare:

termic şi catalitic.

Reactorul termic este o incintă în care se realizează temperaturi ridicate şi se adaugă aer din exterior

pentru completarea procesului de oxidare a monoxidului de carbon la dioxid de carbon şi a

hidrocarburilor nearse la CO2 şi H2O.

Reactorul catalitic este perfecţionat permanent, fiind codificat euro 1,2,3,4,5. În cazul reactorului

catalitic dublu compartimentat, în prima etapă are loc transformarea monoxidului de azot în amoniac.

2NO + 5H2 → 2NH3 + 2H2O

Pentru ca amoniacul să nu se oxideze în etapa următoare, ar fi bine să aibă loc reacţia:

4NH3 + 6NO → 5N2 + 6H2O

În a doua etapă, după injectarea de aer se trece peste catalizatorul oxidant, unde sunt posibile reacţiile

de oxidare ale monoxidului de carbon la dioxid de carbon şi a hidrocarburilor nearse la dioxid de carbon şi

apă.

Oxizii de azot

Distingem două surse de oxizi de azot:

a) Oxizii de azot termal se formează la temperaturi ridicate prin reacţii dintre azotul şi

oxigenul din aer:

N2 + O2 2NO , ΔH= 2x21,6 kcal/mol

Valoarea entalpiei pozitivă ne arată că este o reacţie endotermă. Făcând uz de relaţia afinităţii

chimice în funcţie de entalpia liberă: ΔG = ΔH – TΔS si ţinând cont de faptul că reacţia are loc cand ΔG < 0,

54

rezultă logic că reacţia va avea loc numai la temperaturi ridicate, şi anume peste valoarea temperaturii la care

produsul │TΔS│> ΔH.

b) Oxizii de azot combustibil rezultă la oxidarea compuşilor cu azot ce se găsesc în

combustibilii folosiţi. Conţinutul de azot al diferiţilor cobustibili diferă foarte mult; astfel gazul natural nu

conţine compuşi cu azot, pe când cărbunii pot conţine până la 3% azot.

Monoxidul de azot poate reacţiona cu oxigenul din aer cu formare de NO2, reacţie nedorită,

deoarece NO2 este de aproximativ 4 ori mai toxic decât NO.

2NO + O2 2NO2, ΔH = - 13,6 kcal/mol

Ţinând cont de efectele termice ce însoţesc reacţia, principiul Le Chatelier ne învaţă cum să

deplasăm echilibrul în sensul dorit.

Dioxidul de azot este de cca 4 ori mai toxic decât monoxidul de azot. Acesta contribuie la formarea

smogului fotochimic şi a ploilor acide. Câteva reacţii generatoare de acid azotic şi azotos, sunt:

NO2 + HO → HNO3

2 NO2 + H2O → HNO3 + HNO2

sau, în prezenţa ozonului:

NO2 + O3 → NO3 + O2

NO3 + NO2 → N2O5

N2O5 + H2O → 2HNO3

Aceşti oxizi, alături de acidul sulfuric, sunt principalii ’’vinovaţi’’ de ploile acide.

Pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot de la motoarele cu ardere internă se folosesc reactoarele

catalitice dublu compartimentate menţionate la oxizii de carbon.

În termocentrale se poate realiza reducerea emisiilor de oxizi de azot în 2 moduri:

- prin modificarea procesului de ardere;

- prin purificarea gazelor evacuate.

Oxizii de sulf

Se formează prin combustia oricărei substanţe ce conţine sulf. Aproximativ 80% din emisiile de oxizi

de sulf provin din arderea combustibililor fosili în surse de energie staţionare (centrale

termoelectrice), iar 2% din transporturi.

Reacţiile: S + O2 SO2

2SO2 + O2 2SO3

Comentarii:

55

cu toate că sunt reacţii de echilibru, chiar în exces de oxigen, cantitatea de dioxid de sulf, SO 2, este

mai mare;

fiind o reacţie exotermă, la temperaturi joase, cantitatea de SO3 ar trebui să crească, însă viteza

mică a reacţiei face ca durata de atingere a echilibrului să fie prea mare. Aşa se explică faptul că:

cea mai mare parte a sulfului din combustibili ( 90%) se elimină sub formă de

SO2;

în procesul de obţinere a acidului sulfuric, oxidarea dioxidului de sulf la trioxid de

sulf, se face în prezenţa catalizatorilor;

în atmosferă urmele de fier şi mangan pot servi drept catalizatori la oxidarea SO2;

prin reacţie cu apa:

SO3 + H2O → H2SO4

rezultă acidul sulfuric, component principal al ploilor acide şi al aerosolilor pe bază de sulfaţi.

Metode de prevenire a poluării cu oxizi de sulf

Pentru reducerea cantităţii de oxizi de sulf rezultaţi din arderile combustibililor în

termocentrale, se disting teoretic 2 categorii de metode:

a) îndepărtarea sulfului din combustibili înainte de ardere;

b) purificarea gazelor de ardere prin reţinerea oxizilor de sulf.

Referitor la prima metodă, se poate sublinia faptul că îndepărtarea propiu-zisă a sulfului din

cantităţile mari de cărbuni utilizate este relativ greu de realizat. De aceea, din acest punct de vedere este

recomandată utilizarea combustibililor cu conţinut redus de sulf. Dacă cărbunii conţin chiar şi 7% sulf (în

funcţie de provenienţă), gazul natural nu are sulf, iar distilatele din ţiţei conţin între 0.35-4% sulf.

Recomandări de economisire a energiei

Se poate combate poluarea mediului si prin folosirea energiei intr-un mod rational. Cateva din

modalitatile de economisire a energiei sunt:

- Folosirea mai rara a automobilelor, fiind recomandate mersul pe jos, ciclismul, sau

transporturile publice.

- Evitarea cumpararii bunurilor care sunt impachetate excesiv. Este necesara energie pentru

a confectiona ambalajele, fiind recomandata reciclarea lor.

- Evitarea risipei: in loc sa se cumpere obiecte noi, este recomandat sa se repare obiectele

stricate si sa se recicleaze cat mai mult posibil

56

- Izolarea caselor: pentru a evita pierderile de caldura, peretii si podurile trebuie izolate cu

cu materiale izolante iar geamurile si usile sa permita o inchidere ermetica.

-Folosirea de aparatura electrica casnica care nu consuma multa energie: cand –cumparam

noi aparate electrocasnice sunt de preferat modele care consuma mai putina energie.

Deasemenea se pot folosi becurile cu un consum scazut de energie.

-Economisirea apei deoarece este necesara o mare cantitate de energie pentru a purifica apa.

Climatul si microclimatul sunt strans legate de activitatea solara., vulcanism, modificarile

structurii atmosferei generate de factorii antropici si neantropici. Caracteristici ale soarelui sunt redate

in Anexa 2.

57

5. RESURSE DE ENERGIE NECONVENTIONALE

Există peste 6 miliarde de oameni pe această planetă şi se preconizează că in 2050 vor fi

aproximativ 9, 4 miliarde. Combustilibii fosili au suportat industrializarea şi creşterea economică a

ţărilor în ultimul secol, dar devine din ce în ce mai clar că nu vor putea suporta un interval indefinit de

timp economia globală. Rezerve de petrol vor mai exista încă aproape 100 de ani, dar cererea pentru

petrol se aşteaptă să depăşească producţia în următorii 20 de ani. Acest termen poate părea îndepărtat

însă pentru societate ca întreg este extrem de apropiat.

Fig.3. Procente din energia SUA clasificate după sursă şi emisiile de CO2.

Nu încape în îndoială că nivelul concentraţiei de CO2 a crescut şi va creşte în viitor datorită

activităţilor omului şi anume datorită eliberării carbonului captat şi stocat în combustibilii fosili.

Nivelul dioxidului de carbon atmosferic a crescut de la 316 ppmv în 1959 la 377 ppmv în 2004. Se

estimează că în 2100 concentraţia de CO2 va ajunge undeva între 540 şi 970 ppmv. Fără schimbări

substanţiale în metodele noastre de producere a energiei vom depăşi orice nivel de CO2 existent la un

moment dat în atmosferă.

Cantitatea insuficientă de petrol şi gaze naturale ar putea fi suplimentată de către alţi

combustibili cum ar fi cărbunii, gudroanele de cărbune sau hidraţii de metan. Dacă, însă, obţinem

energie din aceşti combustibili utilizând tehnologiile convenţionale, vom elibera o cantitate adiţională

de CO2 in atmosferă ce va duce la accelerarea schimbării climatice globale. Capturarea şi sechestrarea

carbonului ar putea fi folosite, dar aceasta ar duce în timp la o acumulare a sa în alţi combustibili.

58

Fig.4. Concentraţia de dioxid de carbon măsurată în Mauna Loa, Hawaii.

Evident, ar fi nevoie de o metodă mai eficientă de sechestrare a carbonului. Ar trebui dezvoltată

o metodă care să nu permită mai mult de 1% din CO2-ul absorbit intr-un secol la o rată medie globală

să ajungă din nou în atmosferă. Bineînţeles, această abordare cere ca toate ţările implicate în acest efort

să fie la fel de dedicate şi eficace în sechestrarea carbonului.

5.1. Energia nucleara

Energia nucleară este energia conţinuta în nucleul atomilor. Această sursă este cea mai eficientă

metodă de obţinere a energiei. Diferenţa între energia chimica şi cea nucleara constă în faptul că

energia chimica se poate obţine prin simpla ardere a unor combustibili cum ar fi carbunele, uleiul sau

gazul, iar cea nucleară are la bază procese nucleare ale atomilor.

Studiul energiei nucleare a inceput în anul 1896 o data cu descoperirea radioactivităţii de către

fizicianul francez Antoine Henri Becquerel şi a fost propulsat de către Ernest Rutherford, un fizician

care a reuşit să dividă, pentru prima dată în anul 1919, un nucleu atomic. În acel moment s-a crezut că

vor trece aproximativ 100 de ani până când această descoperire va avea o aplicaţie practică. Chiar si

celebrul fizician Albert Einstein, care a avut o contribuţie esențială prin descoperirea relaţiei dintre

materie şi energie, a avut indoieli cu privire la energia nucleară: „ Nu exista nici un indiciu care să

confirme că energia s-ar putea obţine”. Acest lucru s-a realizat însă mult mai repede, prima dovadă

fiind folosirea acestei descoperiri ca şi armă in timpul celui de-al doilea razboi mondial.

59

5.1.1. Surse de energie nucleară. Dezintegrarea atomică.

Foarte mult timp s-a crezut că atomii sunt constituiţi doar din protoni şi electroni. S-a descoperit

însă că protonii singuri nu pot fi raspunzatori de întreaga greutate a nucleului atomic. Un nucleu de

hidrogen de exemplu are un singur proton, iar unul de uraniu are 92. Acest lucru ar însemna că nucleul

uraniului ar trebui să cântarească de 92 de ori mai mult decât cel al hidrogenului, dar este de 238 de ori

mai greu. Prin urmare, trebuia sa mai existe un tip de particule subatomice în compoziţia nucleului,

care să compenseze acea diferenţă de greutate. Aceste particule sunt numite neutroni si nu au o sarcină

electrică. Nucleele aceluiasi atom pot avea un numar diferit de neutroni. Atomii respectivelor nuclee

sunt numiți izotopi. Izotopii aceluiasi element au proprietăţi chimice identice, dar diferă prin numarul

de masă. De asemenea, aceştia se pot clasifica în funcţie de stabilitatea lor. Există izotopi stabili şi

izotopi instabili. Un izotop stabil are un nucleu care nu se poate diviza decât prin acţiunea unei forţe

externe. De exemplu izotopul hidrogenului, deuteriul, este un izotop stabil care nu se va fragmenta

niciodată dacă asupra lui nu acţionează o forţă capabilă să producă acest efect. Nucleele instabile sunt

numite nuclee radioactive. Acest lucru se datorează faptului că în timpul procesului de dezintegrare se

emit radiaţii.

S-a constatat că în timpul unei reacţii nucleare se produce o pierdere de masă. Acest lucru a fost

o descoperire foarte importantă deoarece, până la acel moment, unul din principiile de bază ale fizicii

era cel al conservării masei. Teoria dezvoltată anterior de Albert Einstein, care susţinea că masa se

poate transforma în energie, iar energia se poate transforma în masă, s-a dovedit a fi adevarată.

Un nucleu atomic radioactiv se dezintegrează formând alte nuclee mai mici şi emiţând raze alfa,

beta şi gama.

Dezintegrarea alfa este dezintegrarea radioactivă în care un nucleu atomic emite o particulă

alfa (un nucleu de heliu-4) și se transformă într-un element cu o masă atomică mai mică cu 4 unități

atomice și cu un număr atomic mai mic cu 2 unități. Ea este mediată de către forța nucleară tare și forța

electromagnetică. Un exemplu se poate observa mai jos:

60

Dezintegrarea beta constă într-un proces nuclear în care se emite o particulă beta (un electron

sau un pozitron, antiparticula electronului). Ea este mediată de către forța nucleară slabă. Mai jos avem

ilustrat un exemplu pentru dezintegrarea β- și β+:

unde:

n – neutron, p – proton, e- – electron, e+ – pozitron, υe – electron neutrino, – electron antineutrino,

Dezintegrarea gamma apare când nulceul unui atom, dintr-o stare excitată, trece într-una de o

mai joasă energie emițând un foton în proces.

unde:

e- – electron, – electron antineutrino, γ – foton gamma.

În figura 5 este prezentată schema unei dezintegrari nucleare. Un exemplu este dezintegrarea

radioactivă a radiului. Acesta are numarul de masă 226 şi numarul de ordine 88 (88 protoni). Prin

dezintegrare se formează un nucleu de radon 222 şi radiaţii alfa. Radiaţiile alfa sunt formate din doi

protoni şi doi neutroni, fiind identice cu un nucleu de heliu. Radonul este radioactiv şi se dezintegrează

la rândul lui.

Fig. 5. Tipurile de radiaţie pe care le poate emite un nucleu instabil. Alfa, beta şi gamma sunt cele

mai comune dar poate avea loc şi o emisie de neutroni

61

Dezintegrarea radioactivă a unui nucleu cauzează o pierdere de masă, deci acest proces este o

sursă de energie nucleară. Cu toate acestea, dezintegrarea este un proces lent care nu produce suficientă

energie pentru aplicatii practice. Din această cauză se folosesc alte reacţii nucleare mult mai puernice.

Exista două moduri prin care energia formată din reacţiile nucleare se poate folosi pentru aplicaţii

practice. Prima este fisiunea nucleară, prin care un nucleu se divide în două sau mai multe grupuri de

particule iar cea de-a doua, fuziunea nucleară, un proces prin care cel puţin două nuclee se unesc pentru

a forma unul mai mare.

5.1.2. Fisiunea nucleară

Reacţia de fisiune nucleară este un proces nuclear care are loc doar in cazul izotopilor grei,

rezultand doua sau mai multe nuclee. Acest proces este diferit de dezintegrarea nucleara unde un izotop

greu emite radiaţii. În cazul dezintegrarii, acestea nu sunt niciodata mai mari decât nucleul de heliu 4,

cunoscute sub numele de radiaţii alfa.

Cea mai întalnită reacţie de fisiune nucleară este cea a nucleului de uraniu. Toţi izotopii

uraniului sunt radioactivi. Unii au o perioadă de dezintegrare de câteva milioane de ani. În mod normal

aceste nuclee nu fisionează. Prin bombardament cu neutroni însă, acest lucru poate fi realizat. Daca o

mulţime de reacţii de fisiune a uraniului au loc în acelasi timp, energia eliberată de aceste procese este

enormă. Pentru ca aceste reactii să aibă loc, trebuie să existe suficienţi neutroni. Sursa de neutroni este

procesul de dezintegrare a radiului, care emite particule alfa. Aceste particule produc o reacţie nucleară

cu nucleul beriliului, iar în acest fel se eliberează neutroni. Când o astefel de sursă radioactivă este

poziţionată în apropierea uraniului, se produce fisiunea acestuia. Se obtin nuclee de bariu si krypton si

doi neutroni. La rândul lor, aceşti neutroni duc la fisiunea altor nuclee de uraniu. Reacţia în lanţ a

fisiunii uraniului este prezentată în figura 6.

62

Figura 6. Fisiunea uraniului. Reactie in lant.

Există posibilitatea apariției și altor reacții:

Pentru ca reacţia în lanţ a fisiunii uraniului să aibă loc trebuie să existe însa o cantitate minima

de uraniu care să participe la reacţie. Această cantitate minima se numeşte cantitate critică. De

asemenea, o importanţă mare în acest sens o are forma bucaţii de uraniu. Problema se pune că neutronii

care ar trebui să participe la reacţie ar putea fi eliberaţi de pe suprafaţa uraniului şi atunci nu ar exista

destui neutroni care să provoace o reacţie în lanţ. De aici şi importanţa formei. Dacă o bucată de uraniu

ar fi rotundă, suprafaţa nu ar fi la fel de mare ca şi în cazul unei foi de uraniu. Acest lucru ar menţine

neutronii în interiorul bucaţii de uraniu iar reacţia în lanţ s-ar produce mai usor pe cînd de pe suprafaţa

foii, neutronii sunt eliberaţi în mediu iar reacţia nucleară nu poate avea loc.

Un alt element care poate fi utilizat în reacțiile de fisiune este plutoniul. Este un element ce se

găsește doar în urme în natură. Se obține de obicei din izotopul 238 al Uraniului prin următoarele

reacții nucleare:

Fisiunea nucleară, detaliată mai sus, este un proces care se poate utiliza in scopul fabricarii unei

bombe atomice sau pentru a obţine un randament mare de energie electrica. Consecinţele imediate,

63

directe ale unei explozii nucleare asupra mediului sunt: şoc mecanic, dizlocări mari de teren şi crater;

şoc de căldură imens şi incendii; radioactivitate mortală în zona centrală; otrăvire şi contaminare

radioactivă a mediului, pe mari suprafeţe şi de lungă durată. Într-o bombă atomică, o bucăţică de uraniu

de mărimea unui cubuleţ de zahăr are aceeaşi putere de distrugere ca şi un bloc de exploziv

convenţional de mărimea unei case. Armele nucleare s-au folosit împotriva oamenilor doar de două ori,

şi anume în jurul încheierii celui de-al doilea război mondial, când SUA au aruncat câte o singură

bombă atomică cu fisiune asupra oraşelor japoneze Hiroshima şi Nagasaki.

O centrală nucleară este o instalaţie complexă de producere a energiei electrice din energie

termică, obtinută prin iniţierea şi întreţinerea unei reacţii nucleare de fisiune controlată, în lanţ, proces

realizat de reactorul nuclear.

Cel mai întâlnit tip de reactor nuclear este cel termic. Acesta folosește uraniu pe post de

combustibil și neutroni de energie joasă pentru declanșarea reacției în lanț. O schemă simplificată a

unui asemenea reactor este prezentată mai jos.

Fig. 7. Schița elementelor principale a unui reactor termic

Într-un reactor nuclear caldura este produsă prin scindarea atomilor de uraniu din combustibilul

nuclear. Căldura provenită de la un reactor nuclear este necesară pentru a transforma apa in abur.

Aburul astfel obţinut, roteşte paletele unei turbine ce pune in mişcare generatorul producator de

electricitate. Centrala Nucleară de la Cernavodă este unica din România. În prezent funcţionează

64

unităţile I şi II, ce produc împreună circa 18% din consumul de energie electrică al ţării. Unitatea I a

fost terminată în 1996, are o putere electrică instalată de 706 MW si produce anual circa 5 TWh.

Reactorul nuclear este instalatia complexa în care se realizeaza reactia de fisiune în lant

controlata . El este alcatuit din: zona activa, protectie biologica ,schimbatorul de caldura , aparatura de

masură si control. Zona activa este partea pincipala a reactorului în care se realizeaza reactia de fisiune

în lant si exista dispozitivele de baza ce permit controlul si reglarea acesteia. Protectia biologica

reprezinta ansamblul de mijloace utilizate pentru reducerea pâna la nivel nepericulos a radiatiilor emise

în zona activa de materialele structurale si agentul de racire, de catre însusi materialul fisionabil, care

prin puternica iradiere din zona activa pot deveni si ele radioactive si mai ales de produsele de fisiune ,

care sunt puternic radioactive.

Schimbatorul de caldura realizeaza preluarea caldurii degajate în zona activa si transferarea ei

în exteriorul reactorului. Sistemul de reglaj si control are mai multe destinatii. Sistemul de reglaj

trebuie sa asigure modalitatea de pornire si oprire a reactorului si sa stabileasca nivelul de putere

calorica dorit . Sistemul de control are menirea de a masura în permanenta nivelul reactiei de fisiune si

a declansa oprirea reactorului în caz de avarie precum şi de a masura si avertiza la cresterea nivelului

de radiatii în diferite puncte din jurul reactorului, a sistemului de racire, a schimbatorului de caldura

etc, în vederea mentinerii în limitele admise.

Fig. 8. Schema de functionare a unui reactor nuclear.

Centralele nucelare spatiale au o constructie miniaturala, principiul lor de functionare si cateva

exemple sunt date in Anexa 1.

Unul dintre reactoarele nucleare trimise în spațiu până acum a fost cel american SNAP 10-A. A

fost lansat într-o orbită joasă în jurul Pământului în anul 1965. Acesta avea 3 componente majore:

65

reactorul nuclear compact;

reflectorul reactorului și sistemul de control;

sistemul de transfer termic și conversie de putere.

Reactorul avea un diametru de 22,4 cm și 39,62 cm lungime. În interiorul său existau 37 de bare

ce conțineau uraniu pe post de combustibil, hidrură de zirconiu pe post de moderator și un eutectic NaK

pe post de agent de răcire. Elementele combustibilului erau dispuse sub forma unei matrici numite

„core assembly”. O pompă termoelectrică a fost plasată deasupra reactorului pentru a circula agentul de

răcire în toată instalația respectivă. Reflectoarele de beriliu, după lansarea în spațiu, prin intermediul

semnalelor radio, s-au rotit și au fost poziționate în jurul reactorului cu scopul de a reflecta neutronii

permițând reactorului să înceapă și să mențină procesul de fisiune. Căldura generată de reactor era

convertită direct în electricitate de către un convertor termoelectric.

Fig. 9. Schema reactorului nuclear SNAP 10A

Reactoare din aceeași categorie, si anume generatoare termoelectrice de radioizotopi (obțin

energia din dezintegrare radioactivă), au fost și sunt folosite ca și surse de putere pentru sateliți, sonde

spațiale ca de exemplu: Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2, Galileo, Ulysses, Cassini and

New Horizons. Printre materialele radioactive cel mai de folosite folosit este dioxidul de plutoniu.

Plutoniul 238 are cele mai mici cerințe privind ecranarea acesta necesitând doar 2.5 mm de Pb, în unele

66

cazuri însă nemaifiind nevoie datorită învelișului adecvat al nucleului reactorului. Plutoniul 238 are un

timp de înjumătățire de 87,7 ani, o rezonabilă densitate de putere și nivele de radiație gamma și

neutronică foarte scăzute. În figura 10 este prezentată o granulă de PuO2. Aceasta produce 62 de watti de

căldură și strălucește datorită căldurii generate de către dezintegrarea radioactivă α.

Fig. 10. Granulă de 238PuO2

5.1.3. Fuziune nucleară

Reacțiile nucleare furnizează energia stelelor și produc, practic, toate elementele chimice în

procesul numit nucleosinteză. Deși fuziunea elementelor ușoare generează energie, producția

elementelor mai grele ca fierul absoarbe energie. Când reacția de fuziune devine reacție în lanț, poate

rezulta o explozie termonucleară, asemenea celei generate de către bombele cu hidrogen.

Cercetările privind fuziunea controlată, cu scopul atingerii energiei necesare producerii

susținute de energie electrică, se desfășoară de peste 50 de ani, însă s-au întâmpinat multe dificultăți pe

parcursul timpului.

Prima fuziune nucleară pe Pământ a fost realizată in anii 1930 prin bombardarea unei tinte

continand deuteriu, izotopul hidrogenului cu masa 2, cu deuteroni intr-un ciclotron. Pentru a accelera

raza de deuteroni este necesara folosirea unei imense cantitati de energie, marea majoritate

transformandu-se in caldura. In anii 1950 prima demonstratie la scara larga a eliberarii unei cantitati

mari de energie in urma fuziunii, necontrolata a fost facuta cu ajutorul armelor termonucleare in SUA,

URSS, Marea Britanie si Franta. În cazul fuziunii, nucleele au amandoua sarcina pozitiva si in mod

natural nu pot interactiona pentru ca se resping conform legii lui Coulomb, lucru care trebuie

contracarat. Acest lucru se poate face cand temperatura gazului este suficient de mare 50-100 milioane

67

°C. Problema de baza in atingerea fuziunii nucleare este caldura gazului si existenta unei cantitati

suficiente de nuclee pentru un timp indelungat pentru a permite eliberarea unei energii suficiente pentru

a incalzi gazul. O alta problema este captarea energiei si convertirea in energie electrica. La o

temperatura de 100.000 °C toti atomii de hidrogen sunt ionizati, gazul fiind compus din nuclee

incarcate pozitiv si electroni liberi incarcati negativ, stare numita plasma.

Plasma calda pentru fuziune nu se poate obtine din materiale obisnuite. Plasma s-ar raci foarte repede,

si peretii vasului ar fi distrusi de caldura. Dar plasma poate fi controlata cu ajotorul magnetiilor urmand

liniile de camp magnetic stand departe de pereti. In 1980 a fost realizat un astfel de dispozitiv, in timpul

fuziunii temperatura fiind de 3 ori mai mare ca a soarelui.

Reacţia de fuziune implică contopirea a doi sau mai multe nuclee usoare care rezultă în

formarea unui nucleu mai greu. Conform ecuaţiei lui Einstein, E=mc2, care exprimă echivalenţa masă-

energie, şi asemenea cazului fisiunii nucleare, masa lipsă se transformă în energie în cadrul procesului

de fuziune nucleară. Energia produsa de reactia de fuziune este mult mai mare decât în cazul fisiunii

deoarece pierderea de masă este mai mare.

Pentru a putea produce o fuziune nucleară este nevoie de temperaturi înalte deoarece la

asemenea temperaturi electronii din jurul nucleelor pot fi îndepartaţi. Pentru a preveni respingerea

reciprocă a celor doi nuclei încărcaţi pozitiv astfel rezultaţi, temperatura particulelor este ridicată la

valori de câteva ori mai mari decât temperatura de la suprafaţa soarelui. În practică, temperatura devine

atât de ridicată încât particulele trec din starea lor de agregare naturală, cea gazoasă, în plasmă. După

fuziune, nucleele eliberează cantităţi uriaşe de energie pierzând astfel din masa iniţială. Una dintre cele

mai mari probleme întâmpinate astăzi în cadrul experimentelor legate de fuziunea nucleară este

controlul plasmei şi păstrarea şi izolarea acesteia într-un spaţiu închis şi sigur.

Reactia de fuziune nucleara este readata in figura 8.

Fig. 11. Fuziunea nucleara. Deuteriu-tritiu.

68

În cazul fuziunii nucleare, înca nu s-a gasit un mod în care energia- produsă în cantitate mai

mare decat prin fisiune să se poata folosi pentru generarea electricităţii. Aceasta se poate folosi doar

pentru confecţionarea bombelor cu hidrogen. Energia nucleară are aşadar un potenţial enorm, însă este

important să se ia în calcul şi efectul acesteia asupra mediului şi pericolul pe care îl reprezinta armele

nucleare. Din această cauză, există la ora actuală pe plan internaţional un pact de neproliferare a

armelor nucleare.

5.2. Energia hidraulica

Energia hidraulica constituie o sursă de energie importantă exploatand puterea obtinuta prin

caderea naturala a apelor curgatoare. Conversia energiei hidraulice in energie electrica nu este

poluanta, presupune cheltuieli relativ reduse, nu exista probleme de combustibil si este o ssolutie de

lunga durata.

Apa acoperă o mare parte din suprafaţa globului pământesc, formând un înveliş continuu denumit

oceanul planetar. Din suprafaţa întregului glob oceanul planetar ocupă o suprafaţă de 70,8%. Energia

hidraulică a fost folosită încă din antichitate: in India se foloseau roţile hidraulice la morile de apă, in

China şi în extremul orient, roţi hidraulice cu cupe erau folosite la irigarea culturilor. În anii 1830, în

perioada de vârf a canalelor, energia hidraulică era folosită la tractarea barjelor în sus şi în josul

pantelor pronunţate. Energia mecanică necesară diverselor industrii a determinat amplasarea acestora

lângă căderile de apă. 

În zilele de azi utilizarea curentă a energiei hidraulice se face pentru producerea curentului

electric. Energia hidraulică reprezinta capacitatea unui sistem fizic (apa) de a efectua un lucru mecanic

în trecerea dintr-o stare data în alta stare (curgere). În practica, aceasta este energia produsa în

hidrocentrale cu ajutorul miscarii apei, datorata diferentei de nivel între lacul de acumulare si centrala.

Primele centrale hidroelectrice apar în plin triumf al aburului şi al febrei pentru perfecţionarea

motoarelor cu combustie internă. Ele au fost construite în Marea Britanie (1881) şi apoi în SUA (1895).

După aceste reuşite ţările care atinseseră un grad suficient de avansat al industrializării şi care

dispuneau de locuri în care se puteau construi baraje, în special ca alternativă la combustibilii fosili au

găsit atractivă construcţia de centrale hidroelectrice. Motivele sunt evidente: se elimină folosirea

carbunelui, combustibil cu efecte nocive atât asupra sănătăţii cât şi asupra mediului înconjurator şi nu

în ultimul rând energia hidro constituie o sursa ieftină de energie.

69

Din punct de vedere al hidrologiei, energia hidraulică se manifestă prin forţa apei asupra

malurilor râului şi a bancurilor. Aceste forţe sunt maxime în timpul inundaţiilor, datorită creşterii

nivelului apelor si ele determină dislocarea sedimentelor şi a altor materiale din albia râului, cauzând

eroziune şi alte distrugeri. Resursa hidroenergetică poate fi evaluată prin puterea care se poate obţine.

Căderea determină presiunea apei, care este dată de diferenţa de nivel dintre suprafaţa liberă a apei şi a

turbinei, exprimată în metri. Debitul este cantitatea de apă care curge în unitatea de timp care curge

prin conducta de aducţiune într-o anumită perioadă de timp, exprimată în m3/s.

Cantitatea de energie E care se obţine prin coborârea în câmp gavitaţional a unui obiect de masă

m cu o diferenţă de înălţime h este:

E= mgh,

unde g este acceleraţia gravitaţională.

Energia hidraulică disponibilă într-un lac de acumulare se poate extrage prin coborârea

intenţionată a nivelului apei. În acest caz, puterea depinde de debitul masic al apei.

E/t= mgh/t

Deoarece fracţia E/t este tocmai puterea P şi exprimând în membrul din dreapta fracţia m/t în

funcţie de debitul volumic Ф şi de densitatea apei, se obţine forma uzuală:

P = ρФgh

Roţile cu aducţiune superioară pot extrage ambele tipuri de energie, atât cea potenţială,

cât şi cea cinetică. La debite mari se exploatează în principal energia cinetică a apei. În acest scop se

folosesc roţi pe care sunt montate palete, iar aducţiunea apei se face în partea de jos a roţii, apa

împingând paletele. Pentru a avea momente cât mai mari, raza roţii trebuie să fie cât mai mare. Adesea,

pentru a accelera curgerea apei în dreptul roţii, înaintea ei se plasează un stăvilar deversor, care ridică

nivelul apei şi transformă energia potenţială a acestei căderi în energie cinetică suplimentară, viteza

rezultată prin deversare adăugându-se la viteza de curgere normală a râului. 

O hidrocentrală utilizează amenajări ale râurilor sub formă de baraje, în scopul

producerii energiei electrice. Energia hidraulică este captată cu turbine. 

70

Fig. 12. Tipuri de amenajari sub forma de baraje.

Potenţialul hidroenergetic al României era amenajat în 1994 în proporţie de cca. 40 %.

Centrale hidroelectrice aveau o putere instalată de 5,8 GW, reprezentând circa 40% din puterea

instalată în România. Producţia efectivă a hidrocentralelor a fost în 1994 de aproape 13 TWh,

reprezentând circa 24 % din totalul energiei electrice produse. Actual puterea instalată depăşeşte 6 GW

iar producţia este de cca. 20 TWh pe an. Cota de energie electrică produsă pe bază de energie

hidraulică este de cca. 22 - 33%.

Fig. 13. Instalatia Pelamis.

Pentru recuperarea energiei valurilor se pot folosi scheme similare cu cele de la centralele

mareomotrice cu baraj, însă, datorită perioadei scurte a valurilor aceste scheme sunt puţin eficiente. Un

obiect care pluteşte pe valuri execută o mişcare cu o traiectorie eliptică. Cea mai simplă formă de

valorificare a acestei mişcări pentru recuperarea energiei valurilor sunt pontoanele articulate. O

construcţie modernă este cea de tip Pelamis formată din mai mulţi cilindri articulaţi, care, sub acţiunea

71

valurilor au mişcări relative care acţionează nişte pistoane. Pistoanele pompează ulei sub presiune prin

motoare hidraulice care acţionează generatoare electrice.În contextul general al acoperirii nevoilor energetice pe glob, sursele hidro nu joacă însă un rol

de mare perspectivă. Astfel, pe lângă limitarea impusă acestora de factorii fizico-geografici şi

geologici, mai există un neajuns deloc neglijabil. Deşi apa este o sursa inepuizabilă se apreciază că

toate căderile de apă au o viaţă relativ scurtă, evaluată la circa 400 – 500 ani. Acest proces natural de

sedimentare este cu atât mai regretabil cu cât instalaţiile hidroelectrice reprezintă cea mai eficientă şi

cea mai curată sursă de energie cucerită de catre om.

5.3. Energia solara

Încă de la începuturile existenţei, oamenii au folosit şi invocat energia soarelui. Soarele este o

sursă imensă de energie. Aceasta ajunge pe Terra sub formă de radiaţii solare, radiaţii care pot fi

captate şi transformate în alte forme de energie: electrică, mecanică sau termică. Astfel, energia solară

îşi poate găsi utlizarea în domenii diverse, de la agricultură până la cercetare.

Energia solară este energia radiantă produsă în Soare ca rezultat al reacţiilor de fuziune

nucleară. Ea este transmisă pe Pământ prin spaţiu în cuante de energie numite fotoni, care

interacţionează cu atmosfera şi suprafaţa Pământului. Intensitatea radiaţiei solare la marginea exterioară

a atmosferei, când Pământul se află la distanţa medie de Soare, este numită constantă solară.

Intensitatea energiei solare în orice punct de pe Pământ depinde într-un mod complicat, dar previzibil,

de ziua anului, de oră, de latitudinea punctului. Chiar mai mult, cantitatea de energie solară care poate

fi absorbită depinde de orientarea obiectului ce o absoarbe.

Oceanele reprezintă o formă naturală de absorbţie a energiei. Ca rezultat al absorbţiei energiei

solare în oceane şi curenţi oceanici, temperatura variază cu câteva grade. În anumite locuri, aceste

variaţii verticale se apropie de 20C pe o distanţă de câteva sute de metri. Când mase mari de apă au

temperaturi diferite, principiile termodinamice prevăd că un circuit de generare a energiei poate fi creat

prin luarea de energie de la masa cu temperatură mai mare şi transferând o cantitate mai mică de

energie celei cu temperatură mai mică. Diferenţa între aceste două energii calorice se manifestă ca

energie mecanică, putând fi legată la un generator pentru a produce electricitate.

Captarea directă a energiei solare presupune mijloace artificiale, numite colectori solari, care

sunt proiectate să capteze energia, uneori prin focalizarea directă a razelor solare. Energia, odată

captată, este folosită în procese termice, fotoelectrice sau fotovoltaice. În procesele termice, energia

72

solară este folosită pentru a încălzi un gaz sau un lichid, care apoi este înmagazinat sau distribuit. În

procesele fotovoltaice, energia solară este transformată direct în energie electrică, fără a folosi

dispozitive mecanice intermediare. În procesele fotoelectrice, sunt folosite oglinzile sau lentilele care

captează razele solare într-un receptor, unde căldura solară este transferată într-un fluid care pune în

funcţiune un sistem de conversie a energiei electrice convenţionale.

5.3.1. Dispozitive de captare a energiei solare:

Panourile solare

Fluidul colector care trece prin canalele panoului solar are temperatura crescută datorită

transferului de căldură. Energia transferată fluidului purtător este numită eficienţă colectoare

instantanee. Panourile solare au în general una sau mai multe straturi transparente pentru a minimaliza

pierderile de căldură şi pentru a putea obţine o eficienţă cât mai mare. În general, sunt capabile să

încălzească lichidul colector până la 82C cu un randament cuprins între 40 şi 80%. Aceste panouri

solare au fost folosite eficient pentru încălzirea apei şi a locuinţelor. Acestea înlocuiesc acoperişurile

locuinţelor. În emisfera nordică, ele sunt orientate spre sud, în timp ce în emisfera sudică sunt orientate

spre nord. Unghiul optim la care sunt montate panourile depinde de latitudinea la care se găseşte

instalaţia respectivă. În general, pentru dispozitivele folosite tot anul, panourile sunt înclinate la un

unghi egal cu latitudinea la care se adună sau se scad 15 şi sunt orientate spre sud respectiv nord. În

plus, panourile solare folosite la încălzirea apei sau a locuinţelor prezintă pompe, senzori de

temperatură, controllere automate care activează pompele şi dispozitivul de stocare a energiei. Aerul

sau chiar un lichid pot fi utilizate ca fluide în sistemul de încălzire solară şi un acumulator sau un

rezervor cu apă, bine izolate, sunt folosite de obicei ca medii de stocare a căldurii.

Captatoare de energie

Pentru aplicaţii cum sunt aerul condiţionat, centrale de energie şi numeroase cereri de căldură,

panourile solare nu pot furniza fluide colectoare la temperaturi suficient de mari pentru a fi eficiente.

Ele pot fi folosite ca dispozitive de încălzire în prima fază, după care temperatura fluidului este apoi

crescută prin mijloace convenţionale de încălzire. Alternativ, pot fi folosite colectoare mai complexe şi

mai scumpe. Acestea sunt dispozitivele care reflectă şi focalizează razele solare incidente într-o zonă

mică de captare. Ca rezultat al acestei concentrări, intensitatea energiei solare este mărită şi temperatura

care poate fi atinsă poate ajunge la câteva sute sau chiar câteva mii de grade Celsius. Aceste captatoare 73

trebuie să se mişte după cum se mişcă soarele, pentru a funcţiona eficient şi dispozitivele utilizate se

numesc heliostate.

Celule fotovoltaice

Lumina solara poate fi, de asemenea, direct transformată în energie electrica prin utilizarea de

celule fotovoltaice. Acestea se gasesc în diverse dispozitive de la calculatoare până la nave spaţiale.

Celulele fotovoltaice sunt realizate din siliciu, arseniura de galiu şi alte materiale semiconductoare.

Celula fotovoltaica este un dispozitiv funcţional care constă dintr-o joncţiune semiconductoare p-n

superficială realizată într-un material semiconductor.

Fig. 14. Principiul de funcţionare al celulei fotovoltaice

Fotonii ajunşi la joncţiune generează purtatori de neechilibru (perechi electron-gol) (figura 11).

Sub acţiunea câmpului electric de contact, electronii generaţi migrează spre regiunea n şi golurile spre

regiunea p, apărând astfel o tensiune U la bornele celulei. Dacă se scurtcircuitează celula fotovoltaică,

apare un curent de scurtcircuit ISC în sens invers polarităţii, care este proporţional cu numărul de

perechi electron-gol generate în unitatea de timp, adică este proporţional cu iluminarea (număr de

fotoni în unitatea de timp şi pe unitate de suprafaţă). Dacă circuitul celulei este deschis, la bornele ei

apare o tensiune la mers în gol U0 , ca efect al unui curent de difuzie ID în joncţiune, în sensul

polarizării directe a celulei.

In sarcina, la bornele celulei se stabileşte un curent I care depinde de tensiunea la borne.

Curentul I este dat de diferenţa dintre ISC care depinde de iluminarea Φ şi curentul ID care depinde de

tensiunea la borne U:

74

Conform acestei relaţii se poate obţine caracteristica curent-tensiune a celulei fotovoltaice,

Figura 12.

Fig. 15. Caracteristica curent-tensiune a celulei fotovoltaice la o iluminare dată

Pentru rezistenţe de sarcină mici, celula fotovoltaică se comportă ca un generator de curent,

atâta timp cât ID se poate neglija. Pentru rezistenţe de sarcină mari, celula se comportă ca un generator

de tensiune deoarece ID creşte rapid la o creştere mică a tensiunii.

La o iluminare dată, puterea generată de celulă depinde de rezistenţa de sarcină. Puterea

maximă Pmax se obţine când rezistenţa de sarcină Rmax este egală cu rezistenţa internă a celulei.

Această putere maximă este mai mică decât produsul U0·ISC

Raportul se numeşte factor de umplere.

De cele mai multe ori celulele fotovoltaice sunt legate între ele formând baterii solare. Legarea

lor în serie asigură o tensiune la borne mai mare, în timp ce legarea în paralel asigură o intensitate a

curentului generat mai mare. Utilă este o legare mixtă. Uzual celulele sunt conectate într-un modul iar

modulele într-un panou. Acest panou este astfel conceput pentru a urmări razele soarelui întreaga zi.

Energia electrica produsa ,utilizata direct, sau stocata in acumulatoare poate fi utilizată în locuinţe

private, sedii de firme, sau pentru punerea în mişcare a unor avioane sau autoturisme.

75

Un sistem îmbunătăţit de captare a energiei solare

În 4 mai 2009 Institutul Tehnologic din Tokyo a realizat un nou proiect de captare mai eficientă

a energiei solare iar elementul central al acestei idei este folosirea sărurilor topite pentru înmagazinarea

şi concentrarea energiei solare.

Sistemul hibrid de captare a energiei solare este format dintr-un sistem de oglinzi aşezate pe

mai multe cercuri concentrice, care au rolul de a capta lumina solară şi de a o direcţiona spre un

reflector central ce concentrează razele de lumină şi le îndreaptă spre un receptor instalat la nivelul

solului. Acesta conţine pe suprafaţa internă un strat subţire de săruri topite (azotaţi de sodiu şi potasiu).

Amestecul, ajuns la temperatura optimă, este direcţionat spre o turbină care produce electricitate. Astfel

de sisteme cu îmbinarea energiei solare şi termale au mai fost construite dar, modificarea în situaţia de

faţă constă în înlocuirea apei cu săruri care pot ajunge la temperaturi mult mai ridicate (mai mult de

400ºC) şi care au o eficienţă ridicată în transferul de energie. Un alt avantaj al acestui sistem e acela că,

receptorul se află la nivelul solului, ceea ce-i conferă mult mai multă stabilitate şi nu impune restricţii

de mărime. În cadrul sistemelor proiectate anterior, de obicei receptorul se găsea desupra solului, acolo

unde sistemul optic concentra razele solare. Cercetătorii presupun că aceste avantaje pot anula

pierderile înregistrate la nivelul sistemului optic din cauza alungirii razelor şi prezenţei unui reflector

suplimentar. Sistemul are potenţialul de a produce electricitate la costuri relative scăzute. Pe baza

acestui concept, au fost proiectate mai multe sisteme, atât experimentale cât şi comerciale ce ar putea fi

instalate în Almeria, Spania.

5.3.2. Energia solară în Europa

Realizări ale diverselor ţări stau marturie ale avansului pe care domeniul fotovoltaic l-a

înregistrat în ultimii ani atât din punctul de vedere al scăderii costurilor dar şi al celui de creştere a

randamentelor de producere a energiei. Statele UE au luat o serie de măsuri pentru încurajarea

cetăţenilor şi a companiilor să investească în energii regenerabile. De exemplu, în Marea Britanie se

acordă subvenţii pentru cetăţeni şi pentru companii, astfel încât aceştia să instaleze panouri solare, iar

energia este utilizată pentru activităţile domestice. Germania este un exemplu de excelentă prin

programul celor 100 000 acoperişuri solare realizate în anii 2006-2007. Energia solară este utilizată şi

subvenţionată parţial în Spania, Grecia, Suedia şi Franţa. 76

În ultimii ani s-a sesizat o crestere rapidă a numarului de instalaţii fotovoltaice de pe clădirile

care sunt conectate la reteaua electrică. Această zonă de cerere a fost stimulată parţial de programele de

subvenţie ale guvernelor (în special Japonia şi Germania) şi de politica preţurilor ecologice ale

utilităţilor sau furnizorilor de servicii electrice (ex. în Elvetia şi SUA). Totuşi forţa centrală de

conducere vine din dorinţa indivizilor sau companiilor de a obţine electricitate de la o sursă curată,

nepoluantă şi regenerabilă pentru care sunt pregatiţi să platească o recompensă.

În aceste sisteme conectate la retea, un sistem fotovoltaic aprovizionează cu electricitate cladirea

şi orice exces poate fi exportat înapoi la reţea. Nu sunt necesare baterii deoarece reteaua asigură orice

cerere. Totuşi, se doreşte independenţa de proviziile reţelei va trebui să se stocheze energia pentru a

asigura funcţionarea pe timp de noapte. Modulele solare fotovoltaice pot fi instalate corespunzator pe

un acoperiş peste ţiglele deja existente sau acestea pot fi înlocuite cu sisteme fotovoltaice de ţigle

special proiectate.

Fig. 16. Panouri solare

Spaniolii au construit cea mai mare centrală de energie solară din lume. Cu o capacitate de 20 de

megawaţi, instalaţia care a revoluţionat piaţa energiilor alternative alimentează deja 10.000 de

gospodării. Centrala fotovoltaică în formă de turn are înălţimea unei clădiri cu 54 de etaje. Este

constituită din peste 1.200 de panouri care folosesc razele solare pentru generarea energiei. Pe locul doi

se situează centrala din Nevada, SUA, cu o capacitate de 14 megawaţi.

Producţia mondială de energie solară a crescut de două ori în 2008, faţă de anul precedent, de la

2,4 gigawatti la 5,5 gigawaţi, potrivit Asociaţiei Europene din Industria Fotovoltaică. Expertii sustin că 77

doar o parte din Sahara, probabil de dimensiunea unei tări mai mici, va trebui acoperită pentru a

produce destulă energie pentru întreaga Europă. Tările europene si-ar putea schimba furnizorii de

electricitate în decursul a zece ani investind într-o retea gigant de panouri solare în desertul Sahara, au

explicat expertii în cadrul unei conferinte pe tema încălzirii globale din Copenhaga. Pe termen lung un

astfel de plan, combinat cu turbinele eoliene pe coasta de nord a Africii, ar putea oferi Europei toată

energia necesară. China a construit cel mai mare centru de afaceri din lume alimentat cu energie solară.

Clădirea are un acoperiş cu panouri solare de 75.000 de metri pătraţi. Ea adăposteşte săli de expoziţie,

de conferinţe, laboratoare, birouri şi un hotel.

5.4. Energia eoliana

Energia eoliană face parte din categoria energiilor regenerabile, posibil de captat si utilizat în

scopuri casnice şi industriale. Caracterul regenerabil al acestor surse de energie provine din faptul că

sursele acestor energii sunt regenerabile, spre deosebire de cărbuni, spre exemplu, limitaţi ca

zăcăminte. Timp de peste 5000 de ani, forţa vântului a fost folosită la deplasarea ambarcaţiunilor pe

râuri, lacuri şi oceane sau la rotirea palelor masive ale morilor de vânt pentru măcinarea grânelor sau

pomparea apei. Vânturile se formează datorită încăzirii neuniforme a suprafeţei pământului de către

energia radiată de soare. Această încălzire variabilă a straturilor de aer, produce zone de aer de densităti

diferite, fapt care creează miscări ale acestuia. Energia cinetică a vântului este folosită la antrenarea

elicelor turbinelor eoliene, capabile de a genera electricitate.

În prezent, energia eoliană a intrat în centrul atenţiei, prin versiuni moderne ale morilor de vînt,

denumite turbine sau centrale eoliene, cu scopul de a genera electricitate. Grupuri de astfel de mori de

vînt cu pale lungi si subţiri, din metal sau plastic, sunt adeseori amplasate împreună în ferme eoliene ce

se întind pe suprafeţe mari.

Producerea energiei electrice avînd ca sursă energia eoliană nu duce la poluarea mediului.

Cheltuielile care ar trebui efectuate pentru refacerea ecologică a unor zone, cum ar fi cele miniere sau

cele în care s-a exploatat petrol, sunt atît de mari, încît societatea nu şi le poate permite. Pentru că

vântul este o sursă de energie curată si interminabilă, turbinele de vânt sunt instalate în ţările dezvoltate

şi acolo unde intensitatea vantului permite puterii eoliane să poată fi exploatată, pentru a suplini sursele

tradiţionale de energie electrică, precum caldura degajată de arderea carbunilor.

Energia eoliană e o sursă de putere electrică promiţătoare în viitor datorită ecologităţii şi

infinităţii sale. Totuşi, pentru ca viteza vântului variază în timpul zilei, sezonului sau anilor energia

generată de vânt e o resursă intermitentă. Chiar şi în zonele de pe glob cu acţiune puternică a vântului

turbinele acţionează în jur de 60% din timpul anului. Sistemele eoliene sunt de o mare importanţă din 78

punct de vedere economic şi practic deoarece pot asigura energie electrică pentru reţele centrale, reţele

izolate, furnizare de energie la distanţă , pomparea apei dar şi suport pentru reţele slabe, reducerea

expunerii la fluctuaţiile preţului energiei, reducerea pierderilor de transmitere şi distribuţie.

Utilizarea energiei eoliene se poate face în sisteme off-grid

(nelegate la reţeaua centrală) cu ajutorul unor turbine mici (50W - 10 kW) pentru încărcarea bateriilor

de acumulatori, consumatori mici, pomparea apei; cu turbine medii (10 - 200 kW) se pot reduce

costurile de generare a energiei în reţele izolate, în locuri greu accesibile, unde ar trebui să se transporte

generatoarele diesel şi carburantul (se folosesc sisteme hibride vânt-diesel). La reţeaua centrală

contribuie fermele ”de vânt ” cu turbine multiple (200 kW-2 MW). La amplasarea centralelor eoliene

sunt importante câteva aspecte: este esenţială existenţa vânturilor cu viteze medii-mari, media anuală

minimă să fie 4 m/s, poziţionarea să fie facută în zone de coastă, vârfuri abrupte, trecători (pasuri),

teren deschis, văi care canalizează vântul.

Aero-generatorul utilizează energia cinetică a vântului pentru a antrena arborele rotorului său:

aceasta este transformată în energie mecanică, care la rândul ei este transformată în energie electrică de

către generatorul cuplat mecanic la turbina eoliană. Acest cuplaj mecanic se poate face fie direct, dacă

turbina şi generatorul au viteze de acelaşi ordin de mărime, fie se poate realiza prin intermediul unui

multiplicator de viteză. În sfârşit, există mai multe posibilităţi de a utiliza energia electrică produsă: fie

este stocată în acumulatori, fie este distribuită prin intermediul unei reţele electrice, fie sunt alimentate

sarcini izolate. Sistemele eoliene de conversie au şi pierderi. Astfel, se poate menţiona un randament de

ordinul a 59 % pentru rotorul eolienei, 96% al multiplicatorului. Trebuie luate în considerare, de

asemenea, pierderile generatorului şi ale eventualelor sisteme de conversie.

O eoliană ocupă o suprafaţă mică pe sol. Acesta este un foarte mare avantaj, deoarece perturbă

puţin locaţia unde este instalată, permiţând menţinerea activităţilor industriale sau agricole din

apropiere. Se pot întâlni eoliene numite individuale, instalate în locaţii izolate. Eoliana nu este

racordată la reţea, nu este conectată cu alte eoliene. În caz contrar, eolienele sunt grupate sub forma

unor ferme eoliene. Instalările se pot face pe sol, sau, din ce în ce mai mult, în largul mărilor, sub forma

unor ferme eoliene offshore, în cazul cărora prezenţa vântului este mai regulată. Acest tip de instalare

reduce dezavantajul sonor şi ameliorează estetica.

79

Fig. 17. Tipuri de eoliene.

5.4.1. Tipuri de eoliene

Există mai multe tipuri de eoliene. Se disting însă două mari familii: eoliene cu ax vertical şi

eoliene cu ax orizontal. Indiferent de orientarea axului, rolul lor este de a genera un cuplu motor pentru

a antrena generatorul. Cele mai utilizate sunt cele cu ax orizontal deoarece randamentul lor

aerodinamic este superior celui al eolienelor cu ax vertical, sunt mai puţin supuse unor solicitări

mecanice importante şi au un cost mai scăzut. Funcţionarea eolienelor cu ax orizontal se bazează pe

principiul morilor de vânt. Cel mai adesea, rotorul acestor eoliene are trei pale cu un anumit profil

aerodinamic, deoarece astfel se obţine un bun compromis între coeficientul de putere, cost şi viteza de

rotaţie a captorului eolian, ca şi o ameliorare a aspectului estetic, faţă de rotorul cu două pale.

Există două categorii de eoliene cu ax orizontal:

• Amonte: vântul suflă pe faţa palelor, faţă de direcţia nacelei. Palele sunt rigide, iar rotorul este

orientat, cu ajutorul unui dispozitiv, după direcţia vântului.

•  Aval: vântul suflă pe spatele palelor, faţă de nacelă. Rotorul este flexibil şi se auto-orientează.

Dispunerea amonte a turbinei este cea mai utilizată, deoarece este mai simplă şi dă cele mai

bune rezultate la puteri mari: nu are suprafeţe de direcţionare, eforturile de manevrare sunt mai reduse

şi are o stabilitate mai bună. Palele eolienelor cu ax orizontal trebuiesc totdeauna, orientate în funcţie

de direcţia şi forţa vântului. Pentru aceasta, există dispozitive de orientare a nacelei pe direcţia vântului

şi de orientare a palelor, în funcţie de intensitatea acestuia. În prezent, eolienele cu ax orizontal cu

rotorul de tip elice, prezintă cel mai ridicat interes pentru producerea de energie electrică la scară

industrială. In fiura de mai jos sunt prezentate componentele clasice ale unei eoliene.

80

Fig. 18. Componentele clasice ale unei eoliene.

Palele sau captorul de energie sunt realizate dintr-un amestec de fibră de sticlă şi materiale

compozite. Ele au rolul de a capta energia vântului şi de a o transfera rotorului turbinei. Profilul lor este

rodul unor studii aerodinamice complexe, de el depinzând randamentul turbinei. Butucul este prevăzut

cu un sistem pasiv (aerodinamic), activ (hidraulic) sau mixt (active stall) care permite orientarea palelor

pentru controlul vitezei de rotaţie a turbinei eoliene (priza de vânt). Arborele primar: este arborele

rotorului turbinei eoliene. Se mai numeşte arborele lent, deoarece el se roteşte cu viteze de ordinul a 20

- 40 rot/min. Prin intermediul multiplicatorului, el transmite mişcarea, arborelui secundar.

Multiplicatorul mecanic de viteză permite transformarea puterii mecanice, caracterizată de cuplu mare

şi viteză mică specifică turbinei eoliene, în putere de viteză mai ridicată, dar cuplu mai mic. Aceasta

deoarece viteza turbinei eoliene este prea mică, iar cuplul prea mare, pentru a fi aplicate direct

generatorului. Multiplicatorul asigură conexiunea între arborele primar (al turbinei eoliene) şi arborele

secundar (al generatorului). Generatorul electric asigură producerea energiei electrice. Puterea sa atinge

4,5 MW pentru cele mai mari eoliene. În prezent se desfăşoară cercetări pentru realizarea unor eoliene

de putere mai mare (5 MW). Generatorul poate fi de curent continuu sau de curent alternativ. Datorită

preţului şi randamentului, se utilizează, aproape în totalitate, generatoare de curent

alternativ.Generatoarele de curent alternativ pot fi sincrone sau asincrone, funcţionând la viteză fixă

sau variabilă. Pilonul este, în general, un tub de oţel şi un turn metalic. El susţine turbina eoliană şi

nacela. Alegerea înălţimii este importantă, deoarece trebuie realizat un bun compromis între preţul de

81

construcţie şi expunerea dorită la vânt. În consecinţă, odată cu creşterea înălţimii, creşte viteza vântului,

dar şi preţul. În general, înălţimea pilonului este puţin mai mare decât diametrul palelor. Înălţimea

eolienelor este cuprinsă între 40 şi 80 de metri.

5.4.2. Importanţa eolienelor

Noile cerinţe în domeniul dezvoltării durabile au determinat statele lumii să îşi pună problema

metodelor de producere a energiei şi să crească cota de energie produsă pe baza energiilor regenerabile.

Protocolul de la Kyoto angajează statele semnatare să reducă emisiile de gaze cu efect de seră. Acest

acord a determinat adoptarea unor politici naţionale de dezvoltare a eolienelor şi a altor surse ce nu

degajă bioxid ce carbon.

Fig. 19. Productia de energie electrica de origine eoliana in Europa, 2003.

82

Repartiţia în Europa a energiei electrice produse pe baza eolienelor, arată diferenţe între state.

Germania este liderul pe piaţa europeană, în ciuda unei încetiniri în 2003 a instalărilor. Spania, pe

poziţia a doua, continuă să instaleze intensiv parcuri eoliene. Danemarca este pe a treia poziţie, având

dezvoltate eoliene offshore şi trecând la modernizarea eolienelor mai vechi de 10 ani.

Costurile şi eficienţa unui proiect eolian trebuie să ţină seama atât de preţul eolienei, cât de cele

ale instalării şi întreţinerii acesteia, precum şi de cel al vânzării energiei. O eoliană este scumpă.

Trebuiesc realizate încă progrese economice pentru a se putea asigura resursele dezvoltării eolienelor.

Se estimează că instalarea unui kW eolian, costă aproximativ 1000 Euro. Progresele tehnologice şi

producţia în creştere de eoliene din ultimii ani permit reducerea constantă a preţului estimat. Preţul unui

kWh depinde de preţul instalării eolienei, ca şi de cantitatea de energie produsă anual. Acest preţ

variază în funcţie de locaţie şi scade pe măsura dezvoltării tehnologie.

Energia eoliană este considerată ca una din opţiunile cele mai durabile dintre variantele

viitorului, resursele vântului fiind imense. Se estimează că energia eoliană recuperabilă la nivel

mondial se situează la aproximativ 53 000 TWh (TerraWattoră), ceea ce reprezintă de 4 ori mai mult

decât consumul mondial actual de electricitate.

Dintre avantajele sistemelor eoliene se amintesc: emisia zero de substante poluante şi gaze cu

efect de seră, datorită faptului că nu se ard combustibili; nu se produc deşeuri; costuri reduse pe unitate

de energie produsă. În 2004, pretul energiei eoliene ajunsese deja la o cincime fată de cel din anii 80,

iar previziunile sunt de continuare a scăderii acestora;costurile de scoatere din funcţiune la capătul

perioadei normale de functionare sunt minime, instalaţiile eoliene putând fi integral reciclate.

Cel mai important dezavantaj este variaţia vitezei vântului si din acest motiv nu orice locaţie se

pretează la acest gen de aplicaţie. Un alt dezavantaj semnalat este "poluarea vizuală şi sonoră" (există

persoane care susţin că nu se încadrează vizual în mediul înconjurător şi fac zgomot în timpul

funcţionării) şi faptul că afectează ecosistemele (necesită terenuri virane mari pentru instalare si pot

omorî păsările). Argumente împotriva acestora sunt că turbinele moderne de vânt au o apariţie atractivă

stilizată, că maşinile omoară mai multe păsări pe an decât turbinele si că alte surse de energie, precum

generarea de electricitate folosind cărbunele, sunt cu mult mai dăunătoare pentru mediu, deoarece

creează poluare şi duc la efectul de seră. Se estimează că până în 2010, 32% din producţia de energie

electrică trebuie să fie obtinută din surse regenerabile. Un alt dezavantaj este riscul mare de distrugere

în cazul furtunilor, dacă viteza vântului depăşeşte limitele admise la proiectare. Oricât de mare ar fi

limita admisă, întotdeauna există posibilitatea ca ea să fie depăşită.

83

5. 5. Biomasa

In cadrul surselor regenerabile de energie cea mai mare pondere in productia de energie o detine

biomasa. Biomasa, ca energie solara acumulata sub forma chimica in materia de origina vegetala sau

animala este una dintre cele mai pretioase si diversificata resursa de pe pamant. Ea ofera nu numai

hrana ci si energie, materiale de constructie, hartie, medicamente si chimicale. Biomasa a fost folosita

in scopuri energetice de cand a fost descoperit focul. Termenul de biomasa acopera un domeniu larg de

produse, subproduse si deseuri provenite din domeniul forestier, agricultura inclusiv cele provenite de

la cresterea animalelor, precum si deseurile municipale si cele industriale.

O definiţie cuprinzătoare a biomasei este aceea potrivit căreia aceasta „reprezintă fracţia

biodegradabi-lă a produselor deşeurilor şi rezidurilor din agricultură (inclusiv substanţele vegetale şi

cele animale), domeniul forestier şi industriile conexe acestuia, precum şi fracţia biodegradabilă din

deşeurile municipale şi cele industriale”.

Biomasa este considerata una dintre resursele regenerabile de baza ale viitorului ce poate fi

folosita la scara mica si mare. Ea contribuie in prezent cu 14% la consumul mondial de energie

primara. Pentru 3/4 din populatia globului ce traieste in tarile in curs de dezvoltare, biomasa reprezinta

cea mai importanta sursa de energie. Se intenţionează ca, până în 2010, ponderea surselor regenerabile

de energie în balanţa resurselor primare să ajungă la minimum 12%, faţă de circa 8% în prezent, iar

ponderea energiei electrice produse din surse reSgenerabile să ajungă la minimum 23,5%, faţă de 14,3

% în prezent. Circa doua treimi din energia din resursele regenerabile folosite in Europa revin biomasei

dupa cum se vede din figura 1 unde sunt prezentate alaturi de ponederea surselor neregenerabile si

regenerabile.

Fig. 20. Resurse energetice neregenerabile si regenerabile.

84

Intreaga viata de pe pamant se bazeaza pe plantele verzi, care transforma dioxidul de carbon si

apa din atmosfera in materie organica si oxigen folosind energia oferita de soare, proces numit

fotosinteza. Dioxidul de carbon din atmosfera si apa de pe pamant sunt combinate prin procesul de

fotosinteza rezultand carbohidratii care formeaza elementele constitutive ale biomasei. Energia solara

este acumulata prin fotosinteza in legaturile chimice ale componentelor structurale ale biomasei. Cand

biomasa este arsa, oxigenul din atmosfera se combina cu carbonul din plante producand dioxid de

carbon si apa. Procesul este ciclic pentru ca dioxidul de carbon ajuns in atmosfera este absorbit din nou

de plante (fig. 17).

Fig. 21. Ciclul carbonului in natura

In ultimele secole omul a exploatat biomasa fosilizata sub forma de carbune. Acest combustibil

fosil este rezultatul unei transformari chimice foarte lente, ce converteste fractia polimerilor de

glucide intr-o compozitie chimica ce seamana cu fractia lignina. Astfel, legaturile chimice suplimentare

din carbune fac din el ca si combustibil o sursa mai concentrata de energie. Dar desi combustibilii fosili

contin aceeasi constituenti-hidrogenul si carbonul ca si biomasa proaspata ei nu sunt considerati

regenerabili din cauza faptului ca necesita un timp foarte indelungat ca sa se formeze.

O alta diferenta intre biomasa si combustibilii fosili este facuta de impactul pe care il au asupra

mediului. Cand o planta moare ea elibereaza cea mai mare parte din materia ei chimica inapoi in

atmosfera, pe cand combustibilii fosili sunt inmagazinati in adancul pamantului si nu afecteaza

atmosfera numai daca ei sunt arsi.

Compozitia chimica a biomasei difera mult in functie de specie, insa se poate spune ca plantele

contin (15-30% in stare uscata) lignina si carbohidrati (zaharuri sau glucide). Fractia de carbohidrati

consta din mai multe molecule de glucide legate impreuna in lanturi lungi sau polimeri. Cele doua

categorii de carbohidrati reprezentative sunt (40-45%) celuloza) si (20-35%) hemi-celuloza. Fractia de

lignina consta din molecule diferite de cele ale glucidelor .

Esenţial este că biomasa stochează energie solară pe care omul o poate converti în electricitate,

combustibil sau caldură. Necesitatea asigurării unei dezvoltări energetice durabile, concomitent cu

realizarea unei protecţii eficiente a mediului înconjurător, a condus în ultimii ani la intensificarea

85

preocupărilor privind promovarea resurselor regenerabile de energie (tabelul 4) şi a tehnologiilor

industriale suport.

Tabelul 4. Potenţialul energetic al resurselor regenerabile de energie

5.5.1. Resurse de biomasa

Principala sursa de biomasa o reprezinta lemnul. Alaturi de lemn exista o larga varietate de

resurse ca:

culturile cu scopuri energetice:

o copaci cu viteza mare de crestere: plopul, salcia, eucaliptul;

o culturile agricole: trestia de zahar, rapita, sfecla de zahar;

o culturi perene: miscanthus;

o plante erbacee cu viteza mare de crestere: Switchgrass sau Panicum virgatum (o planta

perena ce creste in America de Nord), Miscanthus sau iarba elefant (iarba de Uganda).

reziduuri:

o lemnul provenit din toaletarea copacilor si din constructii;

o paiele si tulpinile cerealelor;

o alte reziduuri provenite din prelucrarea unor produse alimentare (trestia de zahar, ceaiul,

cafeaua, nucile, maslinele).

deseuri si sub-produse:

o deseurile de la prelucrarea lemnului: talas, rumegus;

o deseurile de hartie;

o fractia organica din deseurile municipale;

o uleiurile vegetale uzate si grasimile animale.

86

In figura 18 sunt prezentate schematic sursele de biomasa din agricultura, domeniul

forestier si industriile conexe acestuia.

Fig. 22. Surse de biomasa.

Lemnul este utilizat atat pentru producerea de cherestea, hartie si fibre cat si ca sursa de energie.

Circa (20-45)% din lemnul recoltat in fiecare an este sub forma de reziduuri, adica lemnul rezultat din

toaletarea copacilor si caderile din paduri. Recoltarea si transportul pot avea o influenta semnificativa

asupra costului si balantei energetice. Din acest motiv trebuie acordata atentie in alegerea metodei

potrivite de transport si localizarea instalatiei de conversie cat mai aproape de sursa de biomasa.

Culturile cele mai utilizate in scopuri energetice sunt cele de grau, orz, secara, trestie de zahar,

sfecla de zahar, plante leguminoase (lucerna sau trifoi), plante oleagenoase (rapita), plante erbacee

(miscanthus, switchgrass). Multe alte specii au fost studiate in ceea ce priveste optimizarea productiei,

recoltarea, pastrarea si procesarea. Aceste plante ofera biomasa ce poate fi arsa direct sau supusa trans-

formarilor termochimice sau biologice. Graul, secara, orzul, trestia de zahar si sfecla de zahar sunt in

general convertite in etanol. Plantele leguminoase si plante erbaceele pot fi procesate impreuna cu bale-

garul sau deseurile pentru obtinerea de biogaz. Plantele oleagenoase sunt folosite pentru producerea de

biodiesel.

Exista plante care pot fi procesate pentru obtinerea simultana de material celulozic si bioetanol.

Astfel de planta este sorgul zaharat. In lume sunt cunoscute peste doua mii de soiuri de sorg zaharat

87

care contin pana la 30 %zahar . Avantajul acestora consta in faptul ca ele nu necesita cele mai bune

terenuri si nici prea multa ingrijire, apa si fertilizatori.

Reziduurile si sub-produsele agricole sunt cele provenite din prelucrarea lemnului (rumegus,

talas, placaj, coaja, lesie rezultata din prelucrarea celulozei) si din recoltarea si procesarea plantelor

alimentare (cereale, trestie de zahar, ceai, cafea, orez, bumbac, arborele de cauciuc, palmierul de

cocos). Numai 20% din productia de paie poate fi folosita in scopuri energetice, restul de productie

fiind utilizata pentru acoperirea nevoilor din sectorul agricol si altele. Balegarul este o alta sursa utila

ce provine din sectorul agricol.

O sursa de biomasa care nu a fost exploatata pana acum o reprezinta biomasa marina, formata din

plancton si alge. Avand in vedere volumul marilor, aceasta sursa poate constitui o sursa majora de

energie pentru viitor.

Deseurile solide municipale rezulta in principal din activitatea domestica din gospodarii. Fiecare

cetatean al UE produce in medie mai mult de 500 kg deseuri pe an. Cantitatea totala produsa in UE este

de 225 milioane tone pe an. Puterea calorica a fractiei organice din deseurile solide municipale se ga-

seste in intervalul (8000-12000) kJ/kg, ceea ce inseamna circa o treime din puterea calorica a car-

bunelui. Decizia asupra utilizarii acestora ca sursa de energie este legata de politica de gestiune locala

si nationala a deseurilor si de dispozitia populatiei spre reciclare si incinerare In Romania exista doua

zone de distributie a biomasei (ISPE SA Bucuresti, „Renewable Energy Country Profile”, 2002). Circa

90% din lemnele de foc si 55% din deseurile de lemn se gasesc in zona Carpatilor si a Subcarpatilor.

Circa 54% din deseurile agricole se gasesc in campiile de sud si Moldova, circa 52% din biogaz se

produce in campiile de sud si campiile de vest. Din suprafata totala a Romaniei, pentru agricultura se

foloseste circa 40%, iar cea impadurita reprezinta 27%. In prezent se foloseste circa 70% din resursele

de lemn de foc. Din intreaga suprafata agricola, pentru cultura cerealelor se foloseste 66%, pentru

culturi furajere 14% si pentru culturi tehnice 13%.

5.5.2. Forme de stocare ale biomasei

Biomasa bruta inainte de a fi valorificata energetic trebuie procesata mecanic fara a i se modifica

natura chimica. Aceasta presupune sortarea si compactarea deseurilor, procesarea reziduurilor in baloti,

brichete si pelete si presarea semintelor. Pentru manipularea mai usoara tulpinele sunt facute baloti prin

presare impreuna cu ramurile avand marimi egale, asemanatoare unui bustean.

Brichetele de lemn sunt produse din fragmente de deşeuri de cherestea, cum sunt rumeguşul,

surcelele sau bucăţile mici de lemn care sunt comprimate sub presiune ridicată. Datorită conţinutului

88

scăzut de umiditate, valoarea energetică a brichetei este mai ridicată decât cea a lemnului. De

asemenea, datorită densităţii ridicate relativ la volum, produsul de combustie are loc încet şi gradat.

Materia primă pentru producerea de brichete din biomasă poate fi din orice tip de plante sau deşeuri

vegetale. Cele mai importante din punct de vedere economic şi cu valoarea comercială cea mai ridicată

sunt brichetele din lemn. Practic toate tipurile de lemn şi deşeuri de lemn, incluzând bucăţi de lemn şi

rumeguş sunt potrivite pentru prelucrare. Brichetele se realizează la prese mecanice sau hidraulice, fără

nici o substanţă adezivă. Forma brichetelor este determinată de tipul de presă folosit, fiind fie

cilindrice, fie cubice.

Peletele (granulele) sunt un combustibil regenerabil de înaltă eficienţă produs din biomasă. În

Uniunea Europeană producerea de granule obţinute din deşeuri de cherestea a crescut de câteva ori în

ultimii ani. Peletele se folosesc de mulţi ani pentru încălzirea clădirilor publice şi a locuinţelor, iar

industria de producere a peletelor este mai avansată în Suedia şi Austria care au zone mari împădurite.

Peletele sunt prelucrate din deşeuri de cherestea produse de joagăre şi companii de prelucrare a

cherestelei, precum şi din deşeuri forestiere. Cele mai utilizate deşeuri pentru producerea de pelete sunt

rumeguşul şi surcelele de lemn. Din punct de vedere tehnic este posibil să se obţină pelete şi din coji

sau scoarţă de copac, bucăţi de lemn, paie şi culturi energetice. Producerea de pelete constă din trei

etape: uscare, măcinare şi comprimare. Peletele sunt extrudate sub presiune ridicată din fragmente de

biomasă uscată, într-o presă circulară, fără substanţe adezive. Produsele finite sunt granule mici cu

diametrul de 6-25 mm şi lungimea de câţiva centimetri. Forţele puternice acţionând asupra materialului

prelucrat în timpul extrudarii le măresc densitatea, ceea ce înseamnă o mai mare cantitate de produs

finit conţinută într-un volum relativ mic [12].

5.5.3. Cai de valorificare energetica a biomasei

Arderea

Arderea poate fi: directa, cand are loc combustia biomasei pure sau co-ardere cand biomasa este

arsa impreuna cu carbunele

Arderea directa

Pot fi arse amestecuri de biomasa pe baza de lemn, dar nu amestecuri ale acesteia cu paie

datorita diferentei dintre caracteristicile de ardere, umiditate si temperatura de topire a cenusii.

Principalele tipuri de instalatii de ardere a biomasei sunt urmatoarele:

89

Co-arderea

Co-arderea biomasei cu carbunele se poate realiza in cazanele proiectate pentru carbune in cazul

in care biomasa nu depaseste 10%. In acest fel se pot folosi infrastructurile existente in centralele

termoelectrice proiectate pentru carbune. Co-arderea prezinta avantajul reduceri emisiilor de gaz

poluante ce se emana in mediu (SOx, NOx, CH4). Emisiile de NOx sunt reduse deoarece pot fi

controlate prin diverse tehnici de ardere, iar cele de SOx se reduc deorece continutul de sulf al biomasei

este aproape neglijabil.

Gazeificarea

Procesele de gazeificare pot fi privite ca fiind conversii prin ardere, dar la care participa mai puti

oxigen decat la ardere. In functie de raportul dintre cantitatea de oxigen ce intra in reactie si cea

necesara arderii complete, denumit raport echivalent, se poate calcula compozitia gazului produs. In

urma procesului de gazeificare termochimica, de conversie prin oxidare partiala la temperaturi ridicate

a materiei ce contine carbon, se formeaza un gaz denumit gaz de gazogen.

In tabelul 5 sunt prezentate compozitia chimica a gazului si puterile calorifice inferioare in

functie de sortimentul de masa lemnoasa.

90

Tabelul 5. Compozitia chimica a gazului si puterile calorifice inferioare in functie de sortimentul

de masa lemnoasa

Transformari enzimatice pentru obtinerea biocombustibililor

Principalii biocombustibili care pot fi folositi in Romania sunt: bioetanolul, uleiurile vegetale,

biodieselul, biogazul, biocombustibilii de sinteza (amestec de hidrocarburi rezultat din prelucrarea

produsului pirolizei materialelor ligno – celulozice), biometanol, hidrogen. Principalele surse de materii

prime pentru biocombustibili sunt: uleiuri vegetale pentru productia de biodiesel, sfecla de zahar sau

sorgul zaharat (pentru productia de etanol de fermentatie), deseurile organice, uleiuri comestibile uzate,

deseurile animale, gunoiul menajer, masa vegetala (care pot fi folosite pentru productia de biodiesel,

biogaz, hidrogen).

Biotehnologiile găsesc soluţii acolo unde alte discipline îşi ating limitele, după cum o spune şi

definiţia biotehnologiilor, şi anume: aplicarea integrată a cunoştinţelor şi tehnicilor de microbiologie,

genetică, biochimie şi inginerie chimică, în scopul de a produce cu ajutorul celulelor microbiene,

animale şi vegetale, substanţe utile sau servicii necesare societăţii. Soluţia găsită în acest caz este

obţinerea etanolului nu din porumb, ci din biomasă lignocelulozică (orice subprodus, deşeu agricol,

menajer sau industrial care conţine celuloză). Biomasa lignocelulozică reprezintă o sursă abundentă şi

ieftină de resurse energetice regenerabile. De exemplu, reziduurile de trestie-de-zahăr, numite bagase,

rezultate în urma extracţiei zahărului din trestia-de-zahăr sunt generate în cantităţi foarte mari în ţări ca

Brazilia, Tailanda, India, Hawaii şi în sudul SUA. Teoretic, o tonă de bagase uscată poate genera circa

424 litri etanol. Alte produse lignocelulozice care pot fi folosite ca surse de energie sunt: reziduuri sau

subproduse agricole – coceni de porumb, paie de grâu sau orez; reziduuri forestiere; reziduuri din

industria de celuloză şi hârtie; plante ierboase energetice. Însă, spre deosebire de amidon, care este un

polimer omogen şi uşor de hidrolizat, materia lignocelulozică vegetală conţine celuloză, hemiceluloză,

91

lignină şi alte componente greu de hidrolizat. Toate aceste componente trebuie iniţial tratate chimic şi

enzimatic, până sunt transformate în zaharuri care pot fi fermentate la alcool.

Lucrarile de cercetare au aratat posibilitatea sintezei biodieselului prin transesterificare in

cataliza bazica omogena a trigliceridelor continute in uleiul de rapita, cu metanol, cu formarea esterilor

metilici ai acizilor grasi din ulei. Reactia de transesterificare este reversibila si moderat exoterma.

Tehnologia propusa pentru obtinerea biodieselului cuprinde urmatoarele etape principale:

reactia, recuperarea metanolului nereactionat, separarea fazei glicerinice, purificarea biodieselului,

uscarea si filtrarea biodieselului.

Studiul caracteristicilor cinetice ale reactiei de transesterificare in cataliza cu hidroxid de sodiu,

la raportul molar ulei/metanol de 1/6 si la temperaturi intre 50 si 65° C, a relevat faptul ca reactia este de

ordin cinetic global doi (ordinul unu in raport cu fiecare dintre reactanti). Reactia se desfasoara cu viteza

mare in primele 10 – 30 minute, apoi evolueaza mai incet, apropiindu-se de echilibru pe care il atinge

dupa mai multe zeci de minute in functie de proportia de catalizator folosita si de temperatura. Spre

exemplu la un raport molar ulei molar de 1/6, o cantitate de catalizator( hidroxid de sodiu) reprezentand

0,3% din cantitatea de reactanti si la o temperatura de 60° C, timpul necesar antingerii conversiei

maxime este de doua ore.

In Romania oportunitatile pentru aplicarea unor asemenea tehnologii sunt sprijinite de

urmatoarele aspecte:

- circa 45% din populatie traieste in mediul rural si se ocupa cu agricultura;

- suprafata agricola este mare (15 mil. ha. din care 9 mil. ha pamant arabil);

- circa 1,5 mil. ha pamant ramane necultivat;

- pentru asigurarea consumului de carburanti Romania importa titei;

- numarul de vehicule cu motor este in crestere;

- prin aderarea la UE Romania este obligata sa aplice reglementarile de reducere a noxelor.

92

Alimentarea unor autobuze cu amestec motorina – biodiesel (5 – 20%) a dus la urmatoarele

concluzii: consumul de combustibil creste cu circa 3% ca urmare a puterii calorifice mai mici a

biodieselului data de continutul de oxigen din molecula, coeficientul de opacitate a gazelor de

esapament a scazut cu circa 20% .

Fermentatia anaeroba

Biogazul este un produs al fermentării anaerobe a produselor organice. El se produce pe cale

naturală pe fundul bălţilor şi lacurilor, ieşind la suprafaţă sub formă de băşicuţe. Este cunoscut de multă

vreme sub denumirea de gaz de baltă sau gaz de gunoaie (se produce şi în timpul fermentării

gunoaielor). Constituie o metodă aplicată cu succes în câteva ţări cu populaţii mari din Asia (se

apreciază că în China sunt peste 10 milioane de astfel de instalaţii, în regiunile rurale aceste instalaţii

asigurând peste 80 % din producţia de energie necesară. Procedeul denumit „Globar Gas Schema” este

folosit în India de peste 75 de ani, fiind peste 80 mii de instalaţii în funcţiune). După cel de-al Doilea

Război Mondial, vestgermanii au iniţiat o acţiune pe scară largă, construind uzine biologice în care,

prin prelucrarea reziduurilor menajere şi a subproduselor agricole, obţineau biogaz şi bioîngrăşăminte.

Tehnologiile biologice de producere a gazelor combustibile folosite în prezent în multe ţări de pe glob

tind să dezvolte acţiunea unor microorganisme cu scopul de a se obţine o biomasă bogată convertibilă

în metan.

Gazele formate în procesul de fermentaţie, metanul şi dioxidul de carbon, se găsesc într-un

anumit raport cantitativ, influenţat de diferiţi factori. Pe de-o parte, compoziţia deşeurilor organice

influenţează raportul CH4/CO2. La descompunerea anaerobă a hidraţilor de carbon se formează biogaz

cu o compoziţie de CH4/CO2 = 1/1. Acest raport poate avansa până la CH4/CO2 =2/1, cu cât este mai

mare partea unor proteine şi grăsimi bogate în carbon. O astfel de compoziţie a deşeurilor duce atât la o

producţie mai mică de CO2 cât şi la un consum de apă pentru a acoperi necesarul de hidrogen (H2) în

vederea formării CH4. Componenţa reziduurilor menajere în România (valori orientative) este

prezentată în tabelul 7.

93

Tabelul 7. Componenţa reziduurilor menajere în România

Cantităţile de biogaz (valori informative) obţinute din materii organice aflate la

indemână sunt prezentate în tabelul 8.

Tabelul 8. Cantităţile de biogaz (valori informative) obţinute din materii organice

Fermentaţia este un proces în patru etape: prima este hidroliza (descompunerea materiei

complexe în compuşi mai simplii), urmată de acidifiere (fermentarea glucidelor, cu producere de acizi

organici); sunt două etape rapide, apoi urmează două etape mai lente – acetifierea (producerea de acid

acetic) şi, în final, metanizarea propriu-zisă. Fermentatia anaeroba are loc in fermentatoare care pot fi

de mai multe tipuri dintre care mi importante sunt:

Laguna acoperită constă dintr-un bazin (lagună) acoperit, care captează gazul produs în timpul

descompunerii dejecţiilor. Acest tip de fermentator este cel mai puţin costisitor şi se pretează pentru

dejecţii lichide (sub 3% solide). Laguna este acoperită cu o folie din material impermeabil prinsă în

mod etanş de marginile lagunei, după o bordură de beton. Biogazul se acumulează sub folie, de unde

94

este preluat printr-o conductă. Cu toate că necesită investiţii reduse, lagunele acoperite necesită volume

mari de dejecţii, climat cald şi zone cu pânză de apă freatică la adâncimi mari.

Fermentatoarele cu agitare convertesc materia organică la biogaz, într-un rezervor încălzit

deasupra sau sub nivelul solului. În acest rezervor se face o agitare mecanică sau prin barbotare

(recirculare) de gaz, pentru a menţine solidele în suspensie. Astfel de fermentatoare costă mai mult şi

sunt mai scump de întreţinut. Se pretează pentru volume mari de dejecţii şi cu conţinut în solide între 3

şi 10%. Fermentatorul poate fi o structură cilindricăde oţel sau din beton turnat. Menţinerea unei

temperaturi optime în fermentator poate reduce timpul de retenţie a dejecţiilor la mai puţin de 20 de

zile.

Fermentatoarele cu deplasare (cu curgere de tip piston, sau plug-flow) se pretează pentru

dejecţiile rumegă-toarelor care conţin între 11 şi 13% solide. O instalaţie tipică plug-flow include un

sistem de colectare a dejecţiilor, un bazin pentru omogenizare şi fermentatorul ca atare. În bazinul de

omogenizare se ajustează proporţia de solide în dejecţii, prin adaos de apă. Fermentatorul este un bazin

rectangular, lung, de obicei sub nivelul solului, acoperit ermetic cu un material impermeabil. Materialul

pompat în fermentator împinge materialul existent spre capătul opus (curgere tip piston). Pe măsură ce

solidele din dejecţii sunt descompuse, formează un material vâscos, limitând separarea solidelor în

rezervor şi constituind „pistonul” care împinge lichidul. Timpul mediu de retenţie a dejecţiilor în

fermentator este de 20–30 zile. Un astfel de model de fermentator necesită un minim de lucrări de

întreţinere. Căldura degajată de motorul-generator care transformă gazul în electricitate poate fi folosită

pentru a încălzi fermentatorul. În interiorul acestuia, un sistem de conducte permite circularea apei

calde pentru a menţine temperatura între 25–40ºC, temperatura optimă pentru bacteriile metanogene.

Schematic procesul de fermentatie anaeroba poate fi reprezentat astfel:

95

Fig. 23. Procesul de fermentatie anaeroba.

Pe baza unor calcule s-a arătat că în 24 de ore se obţin următoarele cantităţi de biogaz

de la 10 porci – 2 m3 de biogaz

de la 2 bovine – 2,5…3,8 m3de biogaz

de la 100 de păsări – 1,5 m3 de biogaz

Prin extrapolare de la 6 milioane de animale se obţin 1,2 milioane m 3 de biogaz, adică

echivalentul a 600 de tone de motorină pe zi, respectiv 220 000 de tone pe an.

Se impune tot mai clar adoptarea unor măsuri legislative şi organizatorice pentru reducerea

poluării, a emisiei de gaze cu efect de seră şi a dependenţei de importurile de ţiţei, tot mai scumpe şi

incerte, petrolul fiind pe calea spre epuizare. O soluţie este folosirea resurselor de biomasă pentru

producerea biocombustibililor solizi (lemne de foc, pelete şi aşchii), lichizi (etanol, biodiesel şi ulei

vegetal crud) şi gazoşi (biogaz). Sunt necesare reluarea şi intensificarea cercetătorilor complexe privind

cultura şi industrializarea sorgului zaharat, a rapiţei şi altor plante energetice repede crescătoare,

inclusiv acvatice.

Putem deveni mari producători, exportatori şi con-sumatori de bioetanol, biodiesel şi ulei vegetal

crud, prin adaptarea celor mai noi tehnologii de piroliză si gazeificare existente pe plan internaţional la

caracteristicile termo-fizico-chimice ale tipurilor de biomasă specifice Români-ei. Aplicarea

tehnologiilor eficiente, cu consum energetic redus, permiţând funcţionarea îndelungată a instalaţiilor

industriale, va asigura reducerea costurilor şi competitivitatea economică a biocombustibilor româneşti

pe piaţa europeană.96

5.6. Pile de combustie microbiene

Pilele de combustie microbiene (MFC – Microbial Fuel Cells) reprezintă cea mai nouă abordare

de producere a energiei electrice – bioelectricitatea generată din biomasă folosind bacterii pe post de

catalizator in oxidarea substanţelor organice şi anorganice generând astfel un curent electric. Electronii

produşi de bacterii din aceste substanţe sunt transferaţi anodului (terminalul negativ) deplasându-se

către catod (terminalul pozitiv) circuitul fiind închis de un consumator caracterizat de o anumită

rezistenţă.

Fig. 24. Schema componentelor de bază a unei pile de combustie microbiene.

Dispozitivul trebuie să fie astfel construit încât substratul oxidat să poată fi inlocuit, continuu sau

intermitent; altfel sistemul reprezintă practic o biobaterie. Electronii pot fi transferaţi anodului prin

mediatori, nanofire produse de bacterii, shuttle-uri – compuşi chimici care stimulează biodegradarea

contaminanţilor facilitând transferul de electroni la sau de la bacterie - sau alte căi încă nedescoperite.

Mediatorii chimici se pot adăuga sistemului pentru a permite electricităţii să fie produsă de către

bacterii în cazul în care acestea nu pot “accesa” electrozii.

În cele mai multe tipuri de MFC-uri, electronii care ajung la catod se combină cu protonii care

difuzează de la anod prin separator şi cu oxigenul din aer rezultând apă. Oxidanţii ca şi fericianura sau

compuşi pe bază de Mn (IV) pot fi folosiţi pe bază de mediatori însă trebuie înlocuiţi sau regeneraţi. În

cazul ionilor metalici, bacteriile pot fi utile în reoxidarea metalului folosindu-se de oxigenul dizolvat.

Eliberarea de electroni prin cataliză microbiană la anod şi consumarea (acceptarea) electronilor

la catod, atunci când ambele procese sunt mentenabile, reprezintă caracteristicile principacle ale unei

pile de combustie microbiană. Ca exemplu, folosirea unui anod de sacrificiu de aliaj de magneziu nu

97

clasifică pila în clasa definită mai sus întrucât nu este necesară prezenţa bacteriilor pentru a cataliza

oxidarea combustibilului. Sisteme care folosesc enzime sau catalizatori (nu direct produse/produşi de

către bacterii in situ) într-o manieră mentenabilă sunt considerate ca fiind biopile enzimatice.

MFC-urile operate coniţnând culturi mixte au obţinut densităţi de putere mai mari decât cele

folosind culturi pure de bacterii, însă aceasta nu este o regulă obţinându-se într-un test recent o mai

mare densitate de putere într-o pilă ce conţinea o cultură pură. Se crede că, pe baza datelor acumulate

până în prezent, vor fi descoperite numeroase tipuri de bacterii care sunt capabile de transfer de

electroni anodofil sau chiar transfer de electroni între specii.

Istoria dezvoltării pilelor de combustie microbiene

Teoretic, cele mai multe bacterii pot fi folosite ca biocatalizator în MFC-uri. Cel mai vechi

concept de MFC a fost demonstrat de Potter în 1910. Energia electrică a fost produsă de culturile de

Escherichia Coli şi Saccharomyces folosind electrozi de platină. Acest lucru nu a produs un asa de

mare interes până în 1980 când s-a descoperit că densitatea de curent şi de putere la iesire ar putea fi

mult îmbunătăţită prin adăugarea de mediatori. Cu excepţia cazului în care speciile din compartimentul

anodic sunt anodofile, bacteriile nu pot transfera electroni direct anodului. Straturile exterioare ale

membranei majorităţii bacteriilor sunt compuse din structuri neconductoare ce conţin lipide,

peptidoglicani şi lipopolizaharide care împiedică transferul de electroni direct anodului. Mediatorii

introduşi în sistem accelerează procesul de transfer.

Mediatorii într-o stare oxidată pot fi reduşi prin captarea de electroni din cadrul membranei.

Mediatorii se mişcă apoi de-a lungul membranei şi eliberează electronii la anod pentru a deveni din nou

oxidaţi. Acest proces ciclic accelerează rata de transfer a electronilor şi, astfel, crescând puterea

generată. Mediatorii eficienţi trebuie să aibă următoarele caracteristici:

să poată trece cu uşurinţă prin membrana celulară;

să fie capabili să preia electroni de la purtătorii de electroni din cadrul lanţurilor de

transport;

să dispună de o viteză mare a reactiei de la electrod;

să aibă o bună solubilitate în anolit;

să fie nebiodegradabili şi netoxici pentru bacterii;

98

să aibă un cost scăzut;

Fig. 25. Componentele presupuse a juca un rol în transportul electronilor de la celule la anod în

MFC-uri ce folosesc microorganisme ce reduc metale.

Importantă este si variatia eficientei mediatorului oxidat comparativ cu reducerea puterii pilei,

comparativ cu alte caracteristici. Deşi un mediator cu potential redox minim, în teorie, ar oferi cel mai

mic potential redox anodic şi, astfel, ar maximiza diferenţa de potential dintre anod şi catod (dând astfel

cea mai mare tensiune) nu ar fi neapărat cel mai eficient mod de a extrage electroni din sistemele

intracelulare reduse (NADH, NADPH sau citocromi redusi) din interiorul bacteriilor.

Un mediator cu un mai mare potential standard redox ar oferi o mai mare putere globală decât

un mediator cu un potential mai mic redox. Mediatori sintetici mediatori tipici includ coloranti şi

combinatii organometalice cum ar fi de rosu neutru (NR), albastru de metilen (MB), tionină, albastrul

lui Meldola (MelB), 2-hidroxi-1,4-naftochinonă (HNQ) şi Fe (III) EDTA. Din păcate, toxicitatea şi

instabilitatea mediatorilor sintetici limitează aplicaţiile lor în MFC-uri. Unele bacterii pot folosi

compuşi naturali inclusiv metaboliţi ai bacteriilor (mediatori endogeni) ca mediatori. Acidul humic,

antrachinona, oxianionii sulfului (sulfat şi tiosulfat), toate au capacitatea de a transfera electroni din

interiorul membranei celulare anodului. O adevărată descoperire a fost făcută atunci când s-a descoperit

că unele bacterii pot transfera electroni direct anodului. Acestea sunt stabile operaţional şi au un

randament Coulombic ridicat.

99

Shewanella putrefaciens, Geobacteraceae sulferreducens, Geobacter metallireducens şi

Rhodoferax ferrireducens sunt toate bioelectrochimic active şi pot forma un biofilm pe suprafaţa

anodică şi transfera electroni direct prin membrană. Atunci când sunt folosite, anodul acţionează în

calitate de acceptor final de electroni în lanţul respirator al bacteriilor din biofilm. Biofilmele ce se

formează pe suprafaţa catodului pot, de asemenea, să joace un rol important în transferul de electroni

între bacterii şi electrozi. Catozii pot servi ca donori de electroni pentru Thiobacillus ferrooxidans

prezent în catolit pentru un sistem care în MFC contine bacterii în ambele camere, anodic şi catodic. G.

metallireducens şi G. Sulfurreducens sau alte biofilme subacvatice de exemplu pot acţiona în calitate de

acceptor final de electroni preluând electroni de la catod. Având în vedere costul eliminat al unui

mediator, MFC-urile fără mediatori sunt mai avantajoase în tratarea apelor uzate şi generarea de

energie.

Bacterii folosite în pilele de combustie microbiene

Multe microorganisme posedă capacitatea de a transfera electroni din metabolismul materiei

organice la anod. O listă a acestora este prezentată în tabelul 9 împreună cu substraturile

corespunzătoare. Sedimentele marine, solul, apele uzate, sedimentele din apa proaspătă si cel din

nămolurile activate sunt toate bogate surse pentru aceste microorganisme. O serie de publicaţii recente

au discutat despre depistarea şi identificarea bacteriilor şi despre construcţia unei biblioteci

cromozomiale pentru microorganismele care sunt capabile de a genera energie electrică prin degradarea

materiei organice.

Mecanismul de transfer al electronilor la anod în MFC este o problemă-cheie în înţelegerea

teoriei functionării MFC-urilor. Aşa cum am menţionat mai sus, bacteriile transferă electroni

electrodului printr-un sistem de transport care constă fie dintr-o serie de componente în matricea

extracelulară bacteriană sau prin intermediul shuttle-urilor electronice dizolvate în soluţie. Geobacter

aparţine microorganismelor ce reduc metale. Ele produc energie utilă din punct de vedere biologic sub

formă de ATP în timpul reducerii oxizilor metalelor în condiţii anaerobe în soluri şi sedimente.

Electronii sunt transferati acceptorului final de electroni, cum ar fi Fe2O3 în principal printr-un contact

direct între mineralele oxizilor de metal si microorganismele reducătoare. Reacţia anodică din MFC-

urile fără mediator construite cu bacterii ce aparţin în primul rând familiilor Shewanella, Rhodoferax, şi

Geobacter este similară cu cea din acest proces pentru că anodul acţionează în calitate de acceptor final

de electroni la fel ca şi oxizii mineralelor.

Deşi cea mai mare parte a MFC-urilor fără mediator sunt exploatate cu ajutorul

microorganismelor ce reduc metale, o excepţie a fost raportată cu Clostridium butyricum. Mediatori,

100

cum ar fi molecule de colorant şi substanţe humice, pot avea de asemenea unele efecte asupra MFC-

urilor fără mediatori chiar dacă anodofilele pot transfera electroni direct anodului în special în stadiul

incipient de formare a biofilmului. Mediatorii precum Mn+4 sau roşu neutru (NR) încorporate în anod

îmbunătăţesc sensibil performanţa MFC-urilor folosind anodofila S. putrefaciens.

Tabelul 9. Bacterii folosite în pilele de combustie microbiene

Bacterii Substrat

Actinobacillus

succinogenes

glucoză

Aeromonas hydrophila acetat

Alcaligenes faecalis

Enterococcus

gallinarum

Pseudomonas

aeruginosa

glucoză

Clostridium beijerinckii amidon, glucoză,

lactat, melasă

Clostridium butyricum amidon, glucoză,

lactat, melasă

Desulfovibrio

desulfuricans

sucroză

Erwinia dissolven glucoză

Escherichia coli glucoză, sucroză

Geobacter

metallireducens

acetat

Geobacter sulfurreducens acetat

Gluconobacter oxydans glucoză

Klebsiella pneumoniae glucoză

Lactobacillus plantarum glucoză

Proteus mirabilis glucoză

Pseudomonas aeruginosa glucoză

101

Rhodoferax ferrireducens glucoză, xiloză,

sucroză, maltoză

Shewanella oneidensis lactat

Shewanella putrefaciens lactat, piruvat, acetat,

glucoză

Streptococcus lactis glucoză

Mediatorii joacă un rol important în transportul electronilor pentru acele bacterii care se află în

imposibilitatea de a transfera electroni la anod. Mediatorii parcurg drumul dintre anod şi bacterii

transferând electroni. Ei iau electronii de la bacterii şi îi descarcă la suprafata anodului. Actinobacillus

succinogenes, Desulfovibrio desulfuricans, E. coli, Proteus mirabilis, Proteus vulgaris, Pseudomonas

fluorescens au nevoie de mediatori externi în timp ce alte bacterii îsi pot asigura proprii lor mediatori.

De exemplu, Pseudomonas aeruginosa produce piocianină ca shuttle. Când o MFC este inoculată cu

sedimente marine sau nămol anaerob, culturile mixte de bacterii sunt pozitionate în camera anodică.

De obicei, MFC-urile ce contin culturi mixte au performante bune. Utilizarea culturi mixte

complexe (microcosmos anodic) permite utilizarea unui substrat mult mai variat. Aceasta înseamnă că

MFC-urile au o mai mare specificitate pentru substrat decât atunci când contin culturi pure. În MFC-uri

având cultură mixtă (cu nămol anaerob) există în aceeaşi cameră atât electrofile cât si anodofile pe

lângă grupurile care folosesc mediatori naturali. Ieropoulos I. et al. a arătat o relaţie între puterea la

ieşire şi nivelurile de compuşi ai sulfului. Deoarece întotdeauna există în mod natural niveluri de

material ce conţine sulf în nămol, a arătat că până la 70-80% din puterea pilei se datoratează sistemului

sulfat / sulfură şi numai 20-30% din putere datorată electrofilelor.

102

Fig. 26. Model pentru diferiti compusi care servesc ca shuttle-uri între microorganismele

bioelectrochimic active si anod

Bacterii exoelectrogene

Biofilmele electrochimic active au o mare importanţă în mediul natural, în principal în oxidarea

si reducerea metalelor şi în efectele asociate dizolvării mineralelor, ciclul carbonului, precum şi

absorbtia şi complexarea fosforului şi metalelor grele. De asemenea, s-a observat că acestea pot avea

un rol mai important în îndeplinirea nevoilor de bioenergie prin producerea directă de energie electrică.

Diversitatea bacteriilor capabile de activitate exoelectrogenă începe doar acum să fie descoperită. O

cantitate uriasă de informatii a fost obtinută recent prin studiul exoelectrogenelor ce apartin genului de

bacterii reducătoare de metale (Shewanella şi Geobacter). Disponibilitatea secvenţelor genomului

bacteriilor din mai multe tulpini oferă ocazia excelentă de a afla mai multe despre natura fundamentală

a electrogenezei. Cu toate acestea, analiza biofilmelor electrochimic active în MFC-uri sugerează o

mult mai mare diversitate de exoelectrogene decât a fost suspectată anterior. De asemenea,

mecanismele de transfer de electroni acceptorilor de electroni extracelulari sunt prost înţelese până în

momentul de fată. În ciuda unor studii genetice pe aceste două genuri care au ca scop identificarea de

transportorii de electroni pentru respiratia pe bază de fier, calea fluxului de electroni de la membrană la

suprafata mineralelor continuă să fie dezbatută.

Într-adevăr, în experimente recente care demonstrează activitatea exoelectrogenă a Shewanella

putrefaciens, s-a folosit E. coli pe post de "control" pentru a demonstra lipsa de activitate

exoelectrogenă a acestui microorganism, în absenţa unor mediatori. Cu toate acestea, într-un

experiment recent, s-a arătat că ar putea fi produse E. coli evoluate într-o MFC cu aer barbotat la catod,

aceasta însemnând că desi primele bacterii nu ar reusi să transporte deloc sau numai foarte putini

electroni la anod, în timp, prin selectie naturală, bacteriile ar evolua în sensul transferului a unui număr

tot mai mare de electroni într-un timp dat. Cercetatorii au pompat o suspensie cu această bacterie intr-o

MFC, apoi au luat probe din reactor şi au recultivat aceste celule. După mai multe repetări succesive, s-

a constatat că a crescut puterea din reactor fără a fi nevoie de adăugarea unor mediatori. Acest rezultat

arată că E. coli pot evolua în sensul dezvoltării activitătii electrogene.

Mecanismul transferului de electroni

Până în prezent se cunosc 2 moduri prin care bacteriile transferă electroni la o suprafaţă:103

prin shuttle-uri: pe baza mediatorilor produsi chiar de bacterii (cum ar fi picocianina şi a

compuşilor înrudiţi produsi de Pseudomonas aeruginosa);

prin nanofire: produse de către speciile Geobacter şi Shewanella.

În plus, cercetările arată că reducerea ionului feric de către Shewanella implică transportori de

electroni legati de membrană. O serie de proteine în membrana citoplasmatică, periplasm si membrana

exterioară care sunt implicate în reducerea mineralelor au fost identificate prin mutageneză şi studii

biochimice. Cu toate acestea, astfel de informaţii cu privire la mecanismele de transfer de electroni sunt

insuficiente pentru a descrie cum bacteriile colonizează şi menţin celule viabile la o suprafaţă, precum

şi cum concurează bacteriile pentru suprafaţă încă nu a fost studiat.

Nanofire

S-a raportat apariţia de apendice conductoare atât pentru Geobacter cât şi pentru Shewanella,

care au fost numite nanofire (nanowires). Conductivitatea nanofirelor a fost examinată utilizând

microscopia de tunelare conductivă (STM) unde o probă a fost încărcată pe o foarte ordonată suprafaţă

conductoare de grafit pirolitic în timp ce un vârf de Pt-Ir se miscă de-asupra probei la curent constant.

Curbele de curent-tensiune rezultate arată că în momentul în care vârful a trecut peste nanofire,

curentul a crescut pe directia z demonstrând că nanofirele sunt conductoare. Pe baza acestor observaţii,

s-a ajuns la concluzia că acestea de asemenea nanofirele sunt conductoare în planul x-y şi, astfel, ar

putea funcţiona ca transportoare de electroni de la celule la o suprafaţă.

S-a mai arătat că celule mutante cărora le lipsesc citocromi respiratori cheie presupusi a fi critici

pentru transferul de electroni în afara celulelor (mtrC şi omcA) produc nanofire, dar că acestea nu au

fost conductoare în scanările cu STM. În plus, acesti mutanţi au fost, de asemenea în incapacitatea de a

reduce fier sau energie electrică într-o MFC. S-a mai constatat că si G. sulfurreducens produce

apendice conductoare, dar structura de nanofirelor ei pare a fi destul de diferită decât cea a S.

oneidensis. Nanofirele produse de către G. sulfurreducens arată a fi relativ subţiri în timp ce cele

produse de S. oneidensis au aspectul de "cabluri" groase care ar putea, eventual, fi compuse din mai

multe fire conductoare împachetate împreună.

104

Fig. 27 .Nanofire produse de Shewanella oneidensis legate de un electrod într-o MFC.

Producerea de nanofire conductoare a fost demonstrată si de către alte microorganisme în afară

de cele care reduc fier cum ar fi cianobacteriile fototrofice oxigenice (Synechocystis). Examinarea

acestor culturi în detaliu în cadrul MFC-urilor demonstrează că atunci când aceste celule cresc într-un

mediu cu concentratii limitative de CO2, pot produce energie electrică la lumină, dar nu şi în întuneric.

Există, de asemenea, dovezi pentru transferul de electroni între specii. S-a observat, folosind STM, că

Pelotomaculum thermopropionicum produce nanofire groase care seamănă cu niste pili. În co-culturi,

s-a observat că aceste apendice conectează bacteriile fermentative cu un metanogen (M.

thermoautotrophicus). O astfel de legătură ar putea facilita transferul de electroni între bacteriile

fermentative ce au nevoie să elibereze electroni cu scopul de a regenera NADH-ul intracelular.

S-a constatat de obicei că bacteriile fermentative eliberează electroni ca hidrogen gazos, sau

prin producerea de specii si mai reduse, dar această descoperire a nanofirelor ce conectează bacterii

ridică posibilitatea ca bacteriile să fie capabile să transfere electroni direct de la una la alta. Dovezi

preliminare suplimentare sugerează că ar putea exista nanofire si între alte specii de bacterii cum ar fi

metanogene sintrofice si bacterii reducătoare de sulfat.

Transferul de electroni la suprafata celulară

Prezenţa nanofirelor conductoare nu exclude posibilitatea ca aceste bacterii să realizeze

transferul de electroni de la suprafaţa celulei la metal sau la un anod fără nanofire. O examinare atentă

a figurii 6 demonstrează că există pe suprafaţa electrozilor umflături ce ar putea fi puncte de contact

conductoare. Cu toate acestea, micile proteine responsabile pentru transferul electronilor de la suprafaţa

celulei ar putea să nu fie vizibile în această imagine. Shewanella oneidensis crescută anaerob a aderat la

suprafata fierului (goetită) cu o fortă de două până la de cinci ori mai mare decât cele crescute aerob.

Astfel, observatia că această tulpină a aderat mai bine în condiţii anaerobe ar putea permite un contact

mai apropiat necesar transferului de electroni de la citocromii legati de celulă, chiar şi în absenţa

nanofirelor.

Mediatori

Mediatorii chimici sau shuttle-urile au fost adăugate în mod curent în MFC-uri, fapt ce a dus la

transferul de electroni de către bacterii şi chiar de drojdie. În studii efectuate în anul 1911, folosindu-se

105

drojdii ca Saccharomyces cerevisae şi bacterii, cum ar fi Bacillus coli (mai târziu, clasificate ca fiind

Escherichia coli), s-a dovedit că a apare o diferentă de potential, ce a dus la producerea de energie

electrică. Cum a functionat efectiv pila nu se stie căci nu se cunosc mediatori adaugati în celula

respectivă, iar E. Coli şi drojdia de bere nu sunt cunoscute pentru producerea de energie electrică în

absenţa unor mediatori.De atunci, o mare varietate de produsi chimici au fost folositi pentru a facilita

shuttling-ul de electroni din interiorul celulei electrozilor. Acesti mediatori exogeni includ de exemplu

rosu neutru, antrachinon-2-6 disulfonat (AQDS), tionină, fericianură de potasiu, metil viologen şi

altele.

S-a arătat că nu trebuie adăugati mediatori exogeni la o cultură. Mediatorii chimici endogeni,

produsi de către bacterii, ca piocianina pot media transferul electronilor la electrozi si produce

electricitate într-o MFC. Producerea mediatorilor în concentratie mare de către culturile mixte

continând în principal Pseudomonas aeruginosa împreună cu o rezistentă internă scăzută si cu

fericianura ca si catolit în locul oxigenului a produs o densitate de putere raportată la suprafată a MFC-

ului de 3.1 până la 4.2 W/m2.

Într-un sistem continuu, sau într-un reactor discontinuu în care soluţia se înlocuieşte după

fiecare ciclu de generare de energie în cazul în care substratul este epuizat, mediatorii solubili vor fi

extrasi din sistem ceea ce face dificilă acumularea acestor compuşi în concentraţii ridicate. Cu toate

acestea, adaugând substrat (glucoză) în reactor, dar neînlocuind soluţia din reactor, s-a observat o

acumulare de mediatori produsi de comunitatea din celulă aceasta ducând la schimbaera culorii

solutiilor înspre albastru sau albastru-verzui. S-a demonstrat că mediatorii chimici în soluţia respectivă

au caracteristici specifice piocianinei produse de Pseudomonas aeruginosa. Analiza comunitătii din

reactor a arătat prezenţa P. aeruginosa, precum şi alte tulpini stiute pentru producerea de hidrogen.

Nu este clar dacă anumiti compuşi înruditi cu piocianina sunt produsi special pentru

mecanismul transferului de electroni sau pentru alte motive. Aceşti compuşi au de asemenea

caracteristici de antibiotice şi, astfel, principalul motiv pentru care are loc o excreţie a acestora poate fi

ca inhibitori ai respiratiei sau ca toxine pentru a inactiva concurenţii. Producţia mediatorilor a fost mult

timp suspectată a fi principala cale de transfer de electroni pentru S. oneidensis, dar au existat

controverse substanţiale pe această temă. Una din principalele studii care au sprijinit ideea că

Shewanella excretă mediatori s-a bazat pe observaţia celule ar putea reduce fier încapsulat în granule

de siliciu poros. Cu toate acestea, mediatori care ar putea realiza acest lucru nu au fost niciodată

identificaţi. Ulterior s-a constatat că S. oneidensis produce nanofire. Aceasta a ridicat îndoieli privind

existenta unor mediatori necesari pentru a ajunge la fier. Atunci când bacteria a fost crescută în

chemostate cu acceptori de electroni în condiţii limitate s-a observat că celulele dezvoltă rapid nanofire. 106

În plus, s-a demonstrat că nanofirele pot pătrunde în porii granulelor de dioxid de siliciu poros făcând

astfel posibilă reducerea fierului chiar şi în absenţa mediatorilor.

Este posibil ca distrugerea unor celule să elibereze produsi chimici care să acţioneze ca

mediatori în pilele fără bacterii, dar acum se pare că probabil astfel de mediatori produsi de S.

oneidensis nu joacă un rol important în reducerea particulelor de fier sau producerea de energie

electrică în MFC-uri. În plus faţă de transferul de electroni prin nanofire si mediatori endogeni ca si

piocianina, transferul electronilor se mai poate realiza prin transferul hidrogenului între diferite specii

de bacterii, prin producţia de metaboliţi intermediari cum ar fi acetatii.

Cu toate acestea, aici se pune accent pe transferul direct de electroni şi, prin urmare, aceste căi

de transfer între specii nu va fi abordat.

Generarea de tensiune

Tensiunea si curentul

Prima observaţie care se face cu privire la orice aparat electric este tensiunea la care

functionează. Aparatele operează în SUA la 110 V în timp ce în Europa standardul este de 220 V.

Bateriile sunt frecvent de 6 V sau 9 V în funcţie de aplicaţie, în timp dispozitivele mai mici variază în

cerinţele de tensiune. De obicei, tensiunea produsă de baterii şi pile de combustie este adesea crescută

prin legarea lor în serie. Pilele de combustie cu hidrogen funcţionează la un singur voltaj de

aproximativ 0.7 V, astfel ele sunt aranjate împreună pentru a produce tensiuni mai mari. Tensiunea

poate fi mărită utilizând convertoare DC-DC, şi apoi curentul convertit din DC în AC. MFC-urile obţin

frecvent o tensiune maximă de lucru ître 0.3 - 0.7 V. Tensiunea este o funcţie de rezistenţa externă R ext

si de curentul I. Relaţia dintre aceste variabile este binecunoscuta ecuaţie:

unde E reprezintă potentialul celulei.

Curentul produs de o singură MFC este mic, aşa că atunci când un MFC este construit în

laborator curentul nu este măsurat, ci se calculează pe baza relatiei de mai sus. Cea mai mare tensiune

produsă într-o MFC este tensiunea de circuit deschis sau OCV care poate fi măsurată când circuitul

este deconectat (rezistenţă infinită, curent zero). Cu cât rezistenţa scade, cu atât tensiunea scade.

Puterea este calculată la orice moment de timp cu relația

107

Tensiunea generată de o pilă de combustie microbiană sau biopilă este mult mai dificil de a o

intelege sau anticipa decât cea generată de o pilă de combustie chimică. Într-o MFC este nevoie de timp

pentru ca bacteriile să colonizeze electrodul şi să fabrice enzimele sau structurile necesare pentru a

transfera electroni în afara celulei lor. În culturi mixte, se pot dezvolta diferite bacterii, stabilind diferite

potentiale. Potenţialul, chiar şi pentru o cultură pură nu poate fi prezis. Cu toate acestea, există limite

maxime de tensiuni care pot fi generate bazate pe relatii termodinamice pentru donori (substratul) si

acceptori de electroni (oxidantii).

Tensiunea maximă calculată folosind relatii termodinamice

Forta electromotoare maximă ce poate fi generată în orice tip de pilă cu orice tip de combustibil

este:

unde E0 este forta electromotoare standard, iar ∏ este raportul activitătilor produsilor si a

reactantilor fiecare activitate fiind ridicată la o putere reprezentând coeficientul stoechiometric

corespunzător:

Toate valorile lui E0 sunt calculate raportându-se la potentialul hidrogenului în conditii standard

acesta fiind ales zero (E0(H2) = 0 – electrodul normal de hidrogen – EHN). Astfel, potentialele standard

pentru toate substantele se obtin când în relatia fortei electromotoare maxime ∏ devine egal cu 1 relativ

la EHN.

În sisteme biologice, potentialele sunt de obicei preajustate la un pH neutru deoarece citoplasma

majoritătii celulelor se află la pH = 7. Pentru hidrogen,

potentialul ajustat la 298 K este

unde “/” este folosit pentru a desemna potentialul standard preajustat la pH-ul respectiv. În cele mai

multe calcule, potenţialul de hidrogen nu este zero, ca urmare a ipotezei că toate speciile prezente într-o

soluţie sunt la pH = 7. Aceste potenţiale pot fi adaptate pentru alte temperaturi, presiuni sau pH diferit

de 7. La 303 K (30°C), o temperatură frecvent utilizată în laborator în scopul incubării bacteriilor, 108

E0/(H2) = -0.421 V. Pentru hidrogen (H+/H2), substantele care vor fi oxidate de H+ au potenţiale mai

negative, în timp ce substantele reduse de H2 au potentiale mai pozitive.

De exemplu, H2 este oxidat de oxigen. Reactia este următoarea:

iar E0(O2) = 1.229 V, astfel încât valoarea ajustată pentru oxigen este

Activitatea unui lichid pur sau a unui solid este constantă, asa că activitatea apei este luată aici

1. Deoarece E0/(O2) > E0/(H2) oxigenul este redus de hidrogen. Când tensiunea este pozitivă, reactia este

exotermă. Forta electromotoare poate fi exprimată si în functie de energia liberă Gibbs :

109

Tabel 10. Potentialele anodice si catodice pentru diferite reactii anodice si catodice. Potentialele

sunt ajustate cu exceptia unei singure reactii.

Tensiunea totală ce este generată de pilă este diferenta dintre potentialele anodului si catodului:

iar pentru conditiile standard ajustate:

Compartimentul anodic

Dacă termodinamica limitează producţia globală de energie, e de aşteptat ca potenţialul măsurat

al anodului să se apropie de cel calculat. Tensiunea maximă este produsă în modul OCP. Cele mai 110

multe MFC-uri operarând pe o varietate de substraturi produc o OCP ce se apropie de -0.3 V ( NHE).

Pentru acetat, avem cuplul HCO3- / Ac exprimat ca o reducere astfel:

Pentru acetat E0 = 0.187 V, la o concentratie de 1g/L si în conditii de pH = 7 si alcalinitate dată

de concentratia bicarbonatului de 5 mM avem:

Rezultate usor diferite sunt obtinute dacă dioxidul de carbon este inclus în reactia

acetatului si un potential mai mic (mai negativ) se anticipează pentru glucoză (tabelul de mai sus). În

ambele cazuri observăm un potential anodic prezis foarte apropiat de cel măsurat. Acest lucru

sugerează faptul că în interiorul celulelor conditiile se schimbă în scopul atingerii acestui potential.

Compartimentul catodic

Pentru o MFC folosind oxigen, potenţialul catodic maxim este E0/ = 0.805 V. Astfel,

pentru un MFC cu aer barbotat la catod având 1g/L acetat ca substrat (16,9 mM), concentratia de

HCO3- de 5 mM, pH = 7, potenţialul maxim al celulei este de E= 0.805 V - (-0,300 V) = 1,105 V. Cu

toate acestea, potenţialul catodului cu oxigen este în practică mult mai mic decât cel anticipat.

De obicei, OCP-ul unui catod cu aer este de 0.4 V, cu un potenţial efectiv de 0.25 V chiar cu un

catalizator de platină. Reducerea oxigenului la apă necesită un transfer de patru electroni, dar care nu

poate fi întotdeauna realizat. Este posibil de asemenea ca reducerea oxigenului să fie folosită în

producerea peroxidului de hidrogen, iar această reactie este doar cu doi electroni transferati. Potenţialul

standard pentru H2O2 este de 0.695 V, dar în condiţii rezonabile pentru o MFC se obţine un potential de

0.328 V. Acest lucru este mult mai aproapiat de OCP-ul observat pentru catod si anume de 0.425 V.

Producerea de H2O2 este problematică, deoarece este un oxidant puternic, şi poate duce la degradarea

electrodului sau a membranei. Cu toate acestea, producţia sa ar putea avea un efect pozitiv deoarece ar

putea servi ca un dezinfectant pentru limitarea formării biofilmului pe catod sau, poate, pentru a ajuta la

degradarea substantelor organice absorbite. Forma oxigenului produs de o MFC la catod, şi rolul său pe

termen lung, trebuie analizate mai în detaliu pe viitor.

Toti ceilalti potentiali oxidanti nu sunt sustenabili, deoarece acestia trebuie să fie chimic

regenerati. Cel mai frecvent utilizat catolit într-o MFC pe lângă oxigen este fericianura .

Aceasta are un potenţial standard de 0.361 V, este foarte solubilă în apă, şi nu are nevoie de un metal

111

preţios pe catod, cum ar fi Pt. Testele folosind fericianură arătă o mult mai mare generare de putere

decât cele cu oxigen datorită faptului că există o mai mică polarizare a catodului, astfel încât potenţialul

atins este destul de apropiat de cel calculat pentru condiţii standard. Astfel, în timp ce oxigenulului îi

este anticipat un potenţial mai mare decât a catodului cu fericianură, în practică potenţialul oxigenului

este mult mai mic decât valorile teoretice.

Într-o MFC cu 2 camere s-a constatat că înlocuirea catodului cu oxigen cu unul cu fericianură a

avut ca efect cresterea puterii de 1,5 până la de 1,8 ori, cu toate că densitatea de energie produsă în

acest sistem, s-a redus ca urmare a rezistenţelor interne ridicate ale sistemului. Alti catoliti folositi sunt

fierul, manganul, permanganatul. Potentialul obtinut cu ajutorul compusilor fierului a fost mai mare

decât cel obtinut cu ajutorul oxigenului. În pilele cu fericianură la catod, potentialul standard al

fericianurii fiind de 1.70 V, s-a obtinut o fortă electromotoare de 1.53 V. Potentialul în circuit deschis

(OCP) al catodului a fost de 1.284 V, unul dintre cele mai mari dezvoltate într-o MFC. Pe baza acestor

rezultate, numai 0.101 V au fost pierduti la catod.

Fig. 28 Potentialele anodice si catodice raportate la ENH într-o MFC cu glucoză în prezenta si

absenta unei membrane schimbătoare de cationi (CEM). Se observă că adăugarea CEM are ca

efect micsorarea potentialului catodic.

Cea mai mare densitate de putere a fost de 4 W/m2 (raportată la aria suprafetei anodului).

Comparativ, acelasi reactor cu fericianură ca si catolit a atins doar 1.2 W/m2.

112

Tabelul 11. Potentialele diferitelor cupluri redox la pH = 7 (în afară de cele precizate) si 30° C.

Generarea de putere

Pentru a face MFC-urile viabile ca o metodă de a genera energie, este esenţial de a optimiza

sistemul pentru producerea energiei. Puterea se calculează în funcţie de tensiune şi curent ca P = IE.

Puterea de iesire dintr-o MFC se calculează astfel:

iar cu ajutorul relatiei

putem calcula puterea în două moduri:

sau

Puterea normalizată la aria suprafetei

Stiind cât de multă putere este generată de o MFC nu înseamnă că stim suficient de bine cât de

eficient este generată puterea de către sistem. De exemplu, suprafata disponibilă pentru microbi să

crească poate afecta cantitatea de energie generată. Astfel, se obisnuieste să se normalizeze puterea

debitată la suprafaţa anodului, astfel încât densitatea de putere produsă de o MFC este:

Fig. 25 Puterea generată ca functie de aria suprafetei anodului (A) si a catodului (B). Rezistenta

circuitului a fost aleasă în asa fel încât să nu limiteze puterea. Curbele respective au fost create 113

pe baza fitării unor date experimentale.

Aria suprafaţei utilizate pentru calcularea AAn nu este aceeaşi în toate studiile. În reactoarele în

care anodul este suspendat în apă, de exemplu, aria este definită ca proiectia sau aria suprafaţei

geometrice a ambelor părti ale electrodului AAn = 2lAnwAn unde lAn sunt lungimea şi wAn lăţimea unui

electrod de formă dreptunghiulară. În cazul în care anod este apăsat pe o suprafaţă, numai o parte a

anodului poate fi utilizată. Alteori se foloseste aria suprafetei accesibile aceasta însemnând suprafata

totală a electrodului (de exemplu la cei porosi având suprafată specifică mare).

Fig. 29. Aria suprafetei electrodice

Când suprafaţa totală este calculată folosind date din adsorbţia unor gaze ca argonul, aria

efectivă va fi supraestimată deoarece suprafeţe cu dimensiunea porilor mai mică decât un micron nu ar

putea fi accesibilă pentru toată bacteria (deşi nanofirele sau mediatorii ar putea avea acces, în funcţie de

geometria suprafaţei specifice). Compararea materialelor anodice pe baza ariei suprafaţei proiectate

114

oferă o metodă directă de determinare a materialelor anodice superioare (atât timp cât puterea este

limitată de suprafaţa anodică, nu şi de alţi factori care influenţează rezistenţa internă).

Suprafaţa anodică nu afectează întotdeauna producerea de energie. Prin urmare, în unele sisteme

în care anodul este miscat în reactor sau în sisteme cu o foarte mare suprafeţă anodică relativ la cea

catodică, este util să se normalizeze puterea la suprafaţa catodului.

În sistemele ce conţin o membrană de separare a celor două camere electrodice, este posibil, de

asemenea, de a normaliza puterea pe baza suprafaţei proiectate a membranei. S-a stabilit că puterea de

producţie variază în funcţie de dimensiunile relative ale anodului, catodului şi a membranei

schimbătoare de ioni şi s-a sugerat că performanţa relativă a sistemului să fie evaluată la aceeasi

dimensiune a anozilor, catozilor si membranei.

Puterea normalizată la volumul reactorului

MFC-urile sunt proiectate pentru a maximiza puterea totală a sistemului pentr astfel că, în cele

din urmă, cel mai important factor este producerea de energie în funcţie de volumul total al reactorului.

unde v este volumul total al pilei. Uneori, cercetători normalizează puterea la volumul

compartimentului anodic, dar prin asta se neglijează volumul celui catodic care desigur și el are

importantă.

Puterea efectivă comparată cu cea totală

Principalul motiv pentru care puterea utilă este mai mică decât cea totală este dat de rezistenţa

internă a pilei. Cantitatea totală de energie produsă nu este pierdută numai din cauza rezistenţei interne

a sistemului. Putem vedea o MFC ca prin ea trecând un curent care la rândul său trece prin 2 rezistente

înseriate: una fiind cea externă (Rext) şi cealaltă fiind cea internă Rint. Puterea maximă teoretic posibilă

este

115

Se observă că puterea creste proportional cu pătratul fortei electromotoare si invers proportional

cu rezistentele “circuitului”. Totusi, potentialul în circuit deschis (OCP) este întotdeauna mai mic decât

forta electromotoare asa că dacă folosim OCP, vom găsi puterea maximă posibilă:

Desi este util de cunoscut această putere, un mai mare interes îl are puterea maximă efectivă utilă

dată de sistem.

OCP-ul este însă o formă mai utilă de a calcula puterea maximă, astfel

Din această formulă, rezultă că puterea maximă apare când Rint = Rext unde valoarea ei este dată de

formula

Astfel, obiectivul principal în constructia unei MFC este minimizarea rezistenței interne.

Polarizarea si curbele de densitate de putere

OCV-ul măsurat pentru o MFC este tensiunea maximă care pot fi obţinută din acel sistem cu

limitele impuse de comunitatea bacteriană specifică şi al OCP al catodului. Pentru o MFC, la fel ca

pentru orice altă sursă de energie, obiectivul este de a maximiza puterea de ieşire şi, prin urmare, a

obţine cea mai mare densitate de curent, în condiţii de potenţial maxim. OCV-ul este însă atins numai

cu o condiţie si anume în cazul în care există rezistenţă infinită. Dacă reducem rezistenţa, scădem

tensiunea. Astfel, vom căuta să avem cea mai mică scădere posibilă a tensiunii o dată cu cresterea

densitătii de curent pentru a maximiza puterea.

O curbă de polarizare este folosită pentru a caracteriza curentul în funcţie de tensiune. Prin

schimbarea rezistenţei circuitului extern vom obţine o nouă tensiune şi, prin urmare, un nou curent.

Prin urmare, pentru a obţine curba de polarizare vom utiliza o serie de diferite rezistenţe pe circuit.

Această curbă ne arată cât de bine o MFC menţine o tensiune în funcţie de curent. Densitatea de putere

116

este calculată pe baza tensiunii măsurate. Maximul puterii se observă pe curba de densitate de putere ca

fiind în vârful parabolei reprezentată aici cu cerculete verzi.

Graficele de mai jos ilustrează detaliile prezentate mai sus.

Fig. 30. Caracteristicile curbelor de polarizare. Se arată diferite tipuri de pierderi de

tensiune datorită unor varii cauze.

Fig. 31. Polarizarea si curba de densitate de putere.

Modelul matematic bazat pe transferul de masă si relatii cinetice

Într-o MFC curentul nu poate fi generat la o rată mai mare decât rata de oxidare a

substratului de către bacterii. Densitatea de curent este legată de densitatea bacteriilor pe o suprafată.

117

Când bacteriile acoperă o suprafată, acestea formează un biofilm care în teorie poate creste la nesfârsit,

dar în practică se observă că după atingerea unei grosimi de câtiva milimetri, stratul alunecă de pe

electrod. Grosimea ce poate fi atinsă de un strat de biofilm si distanta la care se pot situa fată de

electrod si încă mai poate servi drept acceptor de electroni este necunoscută la momentul actual. Cu cât

un biofilm electrogen devine mai gros, transferul de masă prin film poate deveni limitativ. De aici ar

rezulta că densitatea de curent ar fi limitată nu de degradarea bacteriană a materiei organice, ci de

difuzia substratului la suprafata biofilmului. Sunt cazuri în literatură în care se sugerează că biofilmele

pot opera aproape de limita transferului masic al substratului în film, însă analiza unui sistem este mai

complicată decât simplul studiu al difuziei comparativ cu cinetica procesului deoarecere cinetica

biofilmului afectează viteza transferului de masă.

Prin examinarea limitelor superioare ale cineticii biofilmului si comparând aceste valori

cu limitele impuse de către transferul de masă al substratului prin biofilm, sunt calculate limitele

densitătii de curent care pot fi atinse de către bacterii. Cu această informatie, se poate calcula densitatea

de putere maximă.

Concentratia de bacterii Nb este de obicei exprimată ca si concentratia numărului de celule

N[1/mL] atunci când bacteriile sunt liber suspendate într-o solutie. Concentratia celulelor poate fi

calculată si în termeni de concentratie masică X pe baza masei uscate (dry weight – DW), a proteinelor

sau a solidelor suspendate volatile (VS). Aceste valori sunt interschimbabile prin intermediul unor

constante în momentul în care se cunosc pentru un anumit microorganism. Totusi, masa si dimensiunea

celulelor se schimbă în timpul cresterii celulelor sau când se folosesc diferite substraturi sau medii în

care ele se dezvoltă. Pentru calculele modelului vom presupune că în solutie avem doar bacterii de o

singură dimensiune si că raportul dintre DW, proteine si SV este constant.

Făcând aceste presupuneri, se poate studia în ce conditii cinetica microbiană sau

transferul de masă ar putea limita generarea de putere.

Dezvoltarea unui model simplu pentru un biofilm bazat pe considerente cinetice

Se presupune că dezvoltarea microbiană este proportională cu concentratia bacteriilor:

118

unde μ [1/t] viteza specifică de crestere care este o functie de concentratia substratului, functie

ce poate fi scrisă astfel:

unde μmax

este viteza maximă de crestere, Kc

este constanta partială de saturatie, iar c este

concentratia substratului. Viteza cu care substratul este folosit de bacterii se presupune a fi proportional

cu viteza de crestere a bacteriilor:

unde YX/c este o constantă ce reprezintă un randament al dezvoltării microbiene raportat la cât

substrat s-a consumat, în unităti de concentratie masică de celule crescute per concentratia masică de

substrat. Combinând cele 2 ecuatii de mai sus, ne rezultă o expresie pentru calculul concentratei

substratului în timp:

Mai departe, presupunem că densitatea celulelor în biofilm este constantă. Aceasta înseamnă că

desi în timp grosimea biofilmului creste, densitatea celulelor nu se schimbă. Cu această presupunere, X

devine constant. Din nou, această asumptie este adevărată si pentru bacteriile suspendate în solutie dacă

numărul de celule produse în intervalul de timp ce ne interesează nu este foarte mare comparativ cu

concentratia initială de celule X0.

119

Fig. 32. Viteza de crestere a bacteriilor ca o functie de concentratia substratului

Putem examina două situatii limită ale ecuaţiei vitezei:

În cazul în care concentraţia de substrat este mare (nu limitează creşterea) bacteriile cresc la

viteza lor maximă. În aceste condiţii, c >> Kc şi atunci ecuatia generală de mai sus devine:

(aproximatia de ordinul zero)

În cazul în care c << Kc, atunci ecuatia generală devine:

(aproximatia de ordinul întâi)

Pilele de combustie reprezintă, în acelasi timp, o metodă de a genera energie electrică din

energie chimică/biochimică si un mijloc de depoluare. Desigur, nu înseamnă neapărat că o anumită pilă

va îndeplini întotdeauna cele două cerinte. Aceasta se va hotărî în momentul proiectării pilei respective

prin prisma scopului realizării ei. MFC-urile sunt evident o solutie pentru viitorul poluat al Terrei cel

putin în anumite domenii.

Aplicatii există deja pentru ele si, probabil, odată cu aparitia unor noi design-uri ale pilelor, o

optimizare a functionării lor, descoperirea unor noi bacterii care să poată servi drept biocatalizator în

pile, modificarea genetică a unor bacterii existente pentru a îmbunătătii performantele pilei sau chiar

crearea de noi microorganisme de la “zero” proiectate să îndeplinească anumite cerinte programate în

ADN, toate acestea asigură un viitor bogat pentru pilele de combustie microbiene.

120

Fie în domeniul maritim, electronicii, sau medicinei, pilele de combustie microbiene vor

avea aplicatii deosebite cu sigurantă. Minipilele ar putea fi chiar integrate oarecum în corpul omenesc

în scopul furnizării energiei electrice diverselor aparate (mini sau nano aparate) necesare bunei

functionări a organismului uman, de exemplu, sursă de energie pentru un aparat integrat în corpul

omenesc destinat dozării zilnice de insulină sau pacemaker-elelor.

121

BIBLIOGRAFIE:

1. Al. Cogalniceanu D. Cogalniceanu „Energie. Economie. Ecologie (1998) ”Editura Tehnica

Bucuresti,

2. Alexandru Săndulescu, Felicia Răcăşanu ” Prognoza cererii de energie şi a resurselor

energetice primare”

http://www.unesco.pub.ro/home/educatie/Eficienta%202008/cap._06_final.pdf

3. Amelitta Legend, Viorica Barbu (2007) „Biogazul – energie prin conversie naturală”

Monitorul Arotem, Nr. 1

4. Bard, A. J. and Faulkner, L. R. (2001) „Electrochemical Methods: Fundamentals and

Applications”, John Wiley & Sons, New York.

5. Bond, D.R. and Lovley, D.R. (2003) „Electricity production by Geobacter suljiurreducens

attached to electrodes” Appl. Environ. Microbiol. 69(3), 1548- 1555

6. Carmen Zaharia (2004) „Energia si Mediul” Editura Universitatii Alexandru Ioan Cuza, Iasi

7. Cheng, S., Liu, H. and Logan, B.E. (2006a) „Increased performance of single-chamber

microbial fuel cells using an improved cathode structure” Electrochem. Commun. 8, 489-494

8. Childers, S.E., Ciufo, S. and Lovley, D.R. (2002) „Geobacter metul1ireducen.s accesses

insouble Fe(II1) oxide by chemotaxis” Nature 416, 767-769

9. Cooper, K.R. and Smith, M. (2006) „Electrical test methods for on-line fuel cell ohmic

resistance measurement” J. Power Sour. 160, 1088-1095

10. Cooper, N.B., Marshall, J.W., Hunt, K. and Reidy, J.G. (2007) „Less power, great

performance” Wat. Environ. Technol. 19(2), 63-66

11. Cornelia Vintila, Teodor Vintila „Prelucrarea anaeroba a gunoiului d egrajd, cu producere de

energie electrica” Buletinul AGIR nr. 3/2007, iulie-septembrie, pag. 73-76

12. Corneliu Diţescu, Cristian Cocoşilă „Energia din surse regenerabile, alternativă durabilă pentru

omenire în producerea energiei electrice şi termice”

http://www.cnr-cme.ro/foren2008/CD_ROM_1/s1_ro/S1-79-ro.pdf

13. Dumitru Ristoiu (2005) ” Fizica Mediului – Atmosfera” Editura Napoca Star, Cluj-Napoca,

14. Emde, R., Swain, A. and Schink, B. (1989) „Anaerobic oxidation of glycerol by Escherichia

coli in an amperometric poised-potential culture system” Appl. Microbiol. Biotechnol. 32, 170-

1 75

122

15. EUROPEAN COMMISSION - EUR 21350 – BIOMASS - Green energy for Europe,

Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 2005,

http://publications.eu.int.

16. Gavril Niac (1997) „Chimie Ecologica si notiuni de toxicologie pentru uzul studentilor”

Universitatea Ecologica Deva, Facultatea de Management in Economia Turismului si

Comertului International, Deva,

17. Gorby, Y.A. and Beveridge, T.J. (2005) „Composition, reactivity, and regulation of

extracellular metal-reducing structures (nanowires) produced by dissimilatory metal reducing

bacteria”, Warrenton, VA

18. Gorby, Y.A., Yanina, S., McLean, J.S., Rosso, K.M., Moyles, D., Dohnalkova, A,, Beveridge,

T.J.,Chang, I.S., Kim, B.H., Kim, K.S., Culley, D.E., Reed, S.B., Romine, M.F., Saffarini,

D.A.,Hill, E.A., Shi, L., Elias, D.A., Kennedy, D.W., Pinchuk, G., Watanabe, K., Ishii, S.,

Logan,B.E., Nealson, K.A. and Fredrickson, J.K. (2006) „Electrically conductive bacterial

nanowires produced by Shewanella oneidensis strain MR-1 and other microorganisms” PNAS

103(30), 2296-2304.11358-1 1363

19. Gregory, K.B., Bond, D.R. and Lovley, D.R. (2004) „Graphite electrodes as electron donors

for anaerobic repiration” Environ. Microbiol. 6, 596-604

20. Heidelberg, J.F., Paulsen, I.T., Nelson, K.E., Gaidos, E.J., Nelson, W.C., Read, T.D., Elisen,

J.A.,Seshadri, R., Ward, N., Methe, B., Clayton, R.A., Meyer, T., Tsapin, A., Scott, J., Beanan,

M.,Brinkac, L., Daugherty, S., DeBoy, R.T., Dodson, R.J., Durkin, A.S., Haft, D.H.,

Kolonay,J.F., Madupu, R., Peterson, J.D., Ymayam, L.A., White, O., Wolf, A.M.,

Vamathevan, J.,Weidman, J., Impraim, M., Lee, K., Berry, K., Lee, C., Mueller, J., HKhouri,

H., Gill, J.,Utterback, T.R., McDonald, L.A., Feldblyum, T.V., Smith, H.O., Venter, J.C.,

Nealson, K.H.and Fraser, C.M. (2002) „Genome sequence of the dissimilatory metal ion-

reducing bacterium Shewanella oneidensis” Nat. Biotechnol. 20, 11 18-1 123.

21. Heijne, A,, Hamelers, H.V.M., de Wilde, V., Rozendal, R.R. and Buisman, C.J.N. (2006)

„Ferric iron reduction as an alternative for platinum-based cathodes in microbial fuel cells”

Environ. Sci. Technol. 40, 5200-5205

22. Holmes, D.E., Bond, D.R. and Lovley, D.R. (2004a) „Electron transfer by Desulfobulbus

propionicus to Fe(lI1) and graphite electrodes” Appl. Environ. Microbiol. 70(2), 1234-1237

23. http://zecasin.ro/docs/powerfarm.pdf

24. Hyung-Sool Lee_, Prathap Parameswaran, Andrew Kato-Marcus,Ce´sar I. Torres, Bruce E.

Rittmann, (2008) „Evaluation of energy-conversion efficiencies in microbial fuel cells (MFCs) 123

utilizing fermentable and non-fermentable substrates” Water Research 42, 1501 – 1510

25. Ion Hăbăşescu (200) „Biomasa – Sursă eficientă de energie renovabila” Stiinte agricole nr.3

(10), pag.75-78

26. Ion V. Ion, Ion Dana-Ioana „Energie din biomasa”

http://www.tehnicainstalatiilor.ro/articole/pdf/nr_38/014-030.pdf

27. Iovanca Haiduc, Liviu Bobos (2005) Chimia Mediului si Poluantii Chimici. Editura fundatiei

pentru studii europene Cluj-Napoca,

28. L. Oniciu, S. Agachi, L.D. Bobos s.a . Conversia electrochimica a energiei, Editura Stiintifica

si Enciclopedica, Bucuresti, 1977

29. Laurentiu Calin, Mihai Jadaneant, Aurel Romanek (2008) „Gazeificarea biomasei lemnoase”

Buletinul AGIR nr. 1-2,

30. Lewis, N.S. and Nocera, D.G. (2006) „Powering the planet: chemical challenges in solar

energy utilization” PNAS 103(43), 15729-15735.

31. Liana Marta (2006) ”Chimia Mediului„ Editura U.T.PRES Cluj-Napoca,

32. Logan, Bruce (2008) Microbial Fuel Cells, Wiley.

33. Magdalena Momirlan „ Surse de energie neconvenţionale regenerabile. Obţinerea hidrogenului

prin fotodisocierea apei” Institutul de Chimie Fizică “I. G. Murgulescu” al Academiei Române

34. Maria Smolander, Harry Boer, Matti Valkiainen, Robert Roozeman, Mikael Bergelin, Jan-Erik

Eriksson, Xia-Chang Zhang, Anu Koivula, Liisa Viikari (2008) „Development of a printable

laccase-based biocathode for fuel cell applications” Enzyme and Microbial Technology 43 93–

102

35. Mircea Anton (2010) ”Fizica experimentala” Presa Universitara, Cluj-Napoca,.

36. Mircea Bejan, Tiberiu Rusu (2007) „O sursa de energie regenerabila- biogazul din deseurile

organice: Buletinul AGIR nr.1, pag.13-19

37. Mogos M., Horvat A., Marian I.O., Bonciocat N., Marian A., Dragos N., (2009) „The study of

a graphite / redox couple / cyanobacteria population electrode by means of electrochemical

impedance spectroscopy”, JE09, Sinaia, 6-10 Iulie.

38. Oh, S.-E. and Logan, B.E. (2005) „Hydrogen and electricity production from a food

processingwastewater using fermentation and microbial fuel cell technologies” Water Res. 39

(19), 4673-4682

39. Petrescu, D. C. , Negucioiu, A., (2006) „Introducere in eco-economie” 256p., Editura Fundatia

pentru Studii Europene, Cluj-Napoca.

124

40. Pop Adriana, Onea Madalina, Jakab Cristian, Chioran Viorica „Energia din biomasă”

Simpozionul Naţional “Şcoala – moment zero pentru o societate a cunoaşterii”

41. Rabaey, K., Boon, N., Siciliano, S.D., Verhaege, M. and Verstraete, W. (2004) „Biofuel cells

select for microbial consortia that self-mediate electron transfer” Appl. Environ. Microbiol. 70

(9), 5373-5382

42. Ranta O., A. Molnar, M. Ghereş, Teodora Deac (2008) “Agricultura ca producătoare de

energie (B)” ProEnvironment, 2, 94 – 96

43. Ren, Z., Ward, T.E. and Regan, J.M. (2007) „Electricity production from cellulose in a

microbial fuel cell using a defined binary culture and an undefined mixed culture” Environ.

Sci. Technol, 41(13), 4781-4786

44. Rifiin, J. (2002) „The Hydrogen Economy”, TarchedPutnam, New York

45. Ringeisen, B.R., Henderson, E., Wu, P.K., Pietron, J., Ray, R., Little, B., Biffinger, J.C. and

Jones-Meehan, J.M. (2006) „High power density from a miniature microbial fuel cell using

Shewanella oneidensis DSPIO” Environ. Sci. Technol. 40(8), 2629-2634

46. Schroder, U., Niessen, J. and Scholz, F. (2003) „A generation of microbial fuel cells with

current outputs boosted by more than one order of magnitude” Angew. Chem. Int. Ed. 42(25),

2880-2883.

47. Stephen Karekezi, Kusum Lata, Suani Teixeira Coelho (2004) „Traditional Biomass Energy

Thematic Background Paper „

48. Tad W. Patzek and David Pimentel (2005)” Thermodynamics of Energy Production from

Biomass” Critical Reviews in Plant Sciences, 24(5-6), 327-364,

49. Teodor Vintilă (2007) „Cercetări privind conversia biomasei lignocelulozice la etanol”

Buletinul AGIR nr. 3, pag.21-24

50. Valentin I Popa „Biomasa ca sursa de energie si produse chimice”

http://www.cicia.ro/res/3_prezentare_uti_roman.pdf

51. Violeta Popescu , Irina Goia (2004) „Chimia Mediului. Aplicatii„ Editura U.T.PRES Cluj-

Napoca,

52. Zhang, T., Cui, C., Chen, S., Ai, X., Yang, H., Shen, P. and Peng, Z. (2006b) „A novel

mediatorless microbial fuel cell based on biocatalysis of Eschevichia coli” Chem. Commun.,

2257-2259.

53. Zhuwei Du, Haoran Li, Tingyue Gu (2007) „A state of the art review on microbial fuel cells:

A promising technology for wastewater treatment and bioenergy” Biotechnology Advances 25

464–482125

54. http://www.etec.energy.gov/history/Major-Operations/SNAP-Overview.html

55. http://en.wikipedia.org/wiki/SNAP-10A

56. http://en.wikipedia.org/wiki/Radioisotope_thermoelectric_generator

57. http://www.lbl.gov/abc/wallchart/chapters/03/3.html

ANEXE

ANEXA 1

126

        

Principiul de functionare a unei centrale nucleare spatiale

Centrala nucleara spatiala termoionica (sursa NASA reports)

127

Centrala nucleara spatiala cu termoelemente SNAP 10A (sursa NASA reports)

128

 ANEXA 2

S0ARELE pitica galbena, caracteristici ale radiatiei,microclimatologia radiatiei

129

Sursa (Colectia La Recherche)

130

Comparatie intre proiectiile geometriilor sferei si elipsoidului

131

Proiectia unei arii la incidenta solara de π/2 respectiv β

Radiatia solara la echinoctiu pentru latitudinea de 45

Geometria unui cilindru vertical proiectata pe orizontala

rhxx

xrrh

rrhAAh /;

221/)cot2(

22cot2

2

2

132

Proiectia geometriei unui om in pozitie verticala functie de pozitia soarelui

Analogia intre proiectia

geometriei unui om si proiectia

geometriei unui cilindru vertical

este posibila pentru

h=1,65m ; r=0,117m ; x=14,1

In cazul unui cilindru orizontal

133

Proiectia geometriei conului

134

Suprafete plane expuse radiatiei difuze

Sd, Ld fluxuri directe difuze; pSt,Lu fluxuri indirecte

λscurte→400 nm λlungi→800nmFlux Supraf.sup. cos2(α/2)Sd+ sin2(α/2)pSt cos2(α/2)Ld + sin2(α/2)Lu

Flux Supraf.inf. sin2(α/2)Sd + cos2(α/2)pSt sin2(α/2)Ld + cos2(α/2)Lu

Iradianta la latitudine nordica 45 ºC, θ unghiul

dintre soare si normala la plan.

135

Distributia radiatiei pentru o structura idealizata caracteristica unei categorii

mari de vegetatie

Reflectanta si transmitanta apei

136

Sursa (Principles of environmental phisics, J.L.Monteith, M.H.Unsworth,1991, Edward Arnold

ed.chap.5 Microclimatology of radiation pp 58-78)

Reflectivitate, transmitanta si absorbanta

Relatie idealizata reflexie, transmitanta, absorbanta la frunze verzi

Dependenta coeficientului de reflexie de inaltimea vegetatiei

137