192

16. BIOCONVERSIA ENERGIEI 16.1 GENERALITĂŢI Bioconversia, sau conversia biologică a radiaţiilor solare, este o

metodă regenerativă de transformare a energiei solare în energie nepoluantă sau în combustibili. Aceasta are la bază imensa activitate biologică a fotosintezei pe care o depun plantele. Acest proces constitue baza vieţii pe planeta noastră.

Procesul de fotosinteză are la bază două materii prime foarte abundente în natură, apa şi bioxidul de carbon, iar ca energie se foloseşte spectrul vizibil al radiaţiilor solare. Pigmenţii (de exemplu clorofila) captează fotonii luminoşi şi are loc un transfer de electroni de la un reducător slab - apa, a cărei moleculă este scindată – către un reducştor puternic – feredoxina (o proteină sulfo-ferică) capabilă de a reduce bioxidul de carbon în hidraţi de carbon.

Aceste recţii sunt însoţite de o degajare de oxigen şi de o sărăcire a celulei în CO2 . Bilanţul fotoconversiei se poate exprima printr-o ecuaţie simplă:

2612622 666 OOHCclorofilă

fotoniCOOH +→++ . (16.1)

Adică moleculele de clorofilă din plante absorb energia din radiaţiile solare şi acţionează ca un catalizator în reacţia de mai sus.

Fotosinteza, deşi nu are un randament prea mare (0.25-5%), este de departe cel mai bine organizat proces de conversie a energiei solare, care folosesc energia solară în producerea unor molecule de hidrocarbonaţi. Ca rezultat se obţine o cantitate imensă de masă vegetală, sau pe scurt biomasă, care stochează o mare parte din energia solară primită de pământ.

Se estimează că energia conţinută în biomasa vegetală anuală de pe pământ este de 10 ori mai mare decât consumul energetic mondial anual.

Conversia energiei din biomasă se face ţinând cont că ea intră în categoria materialelor purtătoare de carbon.

Calea cea mai simplă este combustia directă, prin ardere, tehnologie folosită şi în trecut şi în prezent.

193

Aceasta a fost metoda prin care omenirea şi-a satisfăcut nevoile energetice de-a lungul celei mai mari părţi a istoriei sale. În acest scop sunt preferate categoriile de biomasă care conţin mai puţină apă şi prezintă o mai mare densitate a masei uscate ca: lemnul, reziduuri agricole (ex. paie) şi o parte din deşeurile urbane.

Deşi informaţiile ONU indică faptul că biomasa furnizează în prezent doar 5% din energia mondială, o contabilizare mai complexă făcută de experţi independenţi a constatat că de fapt această sursă producea de fapt 13% din energia mondială în 1992 [1], deoarece nu există o evidenţă oficială privind utilizarea încălzirii .cu lemne în mediul rural.

În ţările în curs de dezvoltare, biomasa furnizează în mod curent 36% din energia consumată şi neste practic tot combustibilul utilizat de 2.5 miliarde de oameni care locuiesc în majoritate în mediul rural, formând 45% din populaţia lumii.

Chiar şi în unele ţări dezvoltate industrial ca Danemarca şi Finlanda, biomasa înseamnă aproximativ o zecime din energia utilizată (tabelul 16.1).

Tabelul 16.1 Consumul de energie din biomasă în 1987. Ţara Consumul de biomasă

[petajouli] Ponderea în consumul en. [%]

Regatul Unit 46 1 Statele Unite 3482 4 Danemarca 84 9 Brazilia 1604 25 China 9287 28 India 8543 56 Indonezia 2655 65 Tanzania 925 97 Desigur, biomasa furnizează oamenilor şi hrană, materiale de

construcţie, furaje pentru animale, hârtie – toate acestea fiind produse valoroase care concurează cu energia pe piaţa biomasei.

În contextul crizei energetice actuale, această formă regenerabilă de energie s-ar putea să devină fundamentul economiei energetice mondiale în secolul următor.

S-au realizat deja câştiguri în eficienţa conversiei: s-au realizat sobe îmbunătăţite pentru gătit ( cu randamente peste 40%), care s-au

194

vândut în milioane de exemplare în Kenya şi China, s-au realizat termocentrale pe bază de lemn, exemplu cea de la Varnamo din Suedia. Aceasta produce 6 MW putere electrică şi 9 MW căldură pentru încălzirea oraşului.

Marele dezavantaj al metodei combustiei directe a biomasei îl reprezintă însă vehicularea sa mult mai complicată decât cea a combustibililor lichizi sau gazoşi, care în plus au şi o mare densitate energetică. De aceea biomasa este supusă unor procese de conversie în alte forme, pentru a a lua o înfăţişare mai acceptabilă pentru consumatorii moderni. Aceste procese de conversie au la bază descompunerea unor produse organice sub acţiunea bacteriilor, rezultând ca produse secundare gaze combustibile şi reziduuri solide. Dacă materialul se descompune în atmosferă, are loc un proces aerob. Produsele secundare include amoniacul, bioxidul de carbon şi reziduuri solide (humus). În cazul în care descompunerea se face fără prezenţa aerului (descompunere anaerobă), produsele secundare au un mai mare conţinut energetic.

Gazul obţinut prin descompunerea anaerobă are un mare conţinut de gaz metan şi este folosit drept combustibil gazos în multe instalaţii artizanale sau chiar industriale.

Avantajul esenţial al bioconversiei rămâne costul redus al biomasei, în schimb instalaţiile energetice bazate pe un astfel de combustibil sunt deosebit de costisitoare.

Există multe procedee şi tehnici de utilizare a bioconversiei energiei solare, cele mai importante fiind prezentate în continuare.

16.2 PROCESE BIOLOGICE ENERGOGENERATOARE 16.2.1 Conversia bioelectrică a energiei Obţinerea de energie electrică din energia solară prin procedee

biologice este posibilă, dar deocamdată randamentele obţinute sunt aşa de scăzute încât aceste procese au mai mult o importanţă teoretică decât practică.

În continuare vor fi prezentate câteva astfel de procese. Celule fotovoltaice cu clorofilă. Clorofila este pigmentul care stă

la baza procesului de fotosinteză din frunzele plantelor. Cercetarea

195

proprietăţilor electrice ale clorofilei au dovedit existenţa unor proprietăţi semiconductoare şi efecte fotoconductive.

S-a constata că clorofila a în contact cu un semiconductor ca ZnO este destul de eficientă în procesul de transfer de electroni. Semnul şi mărimea fotopotenţialului depinde de pH-ul mediului şi de prezenţa donatorilor şi a acceptorilor de electroni.

Acest proces a fost studiat de dr. Joseph Katz de la Argone National Laboratory din Illinois SUA [2]. Acesta a reuşit să creeze o veritabilă frunză artificială, capabilă să producă curent electric. Ea este o pilă fotoelectrică cu structură metal-clorofilă-metal. S-a folosit clorofilă extrasă din frunze de spanac. Îndată ce instalaţia a fost iluminată s-a obţinut curent electric. Cel mai bun rezultat înregistrat a fost un curent de 23 milionimi de amper şi o tensiune de 0.4 V.

Pilele de combustie biochimice. Acestea sunt pile de combustie la care reacţiile de electrod sunt promovate sau catalizate de procese biologice. Aceste posibilităţi sunt justificate de existenţa în materia vie a unor catalizatori biologici – enzimele. S-au studiat până în prezent biopile care utilizează enzimele din organisme vii (bacterii), fără a fi extrase. Există două tipuri de biopile de combustie: directe şi indirecte. La cele indirecte, un anumit compus este descompus de nişte bacterii în alte produse ce pot fi folosite ca combustibil în pile de combustie clasice. Se poate cita: producerea hidrogenului din hidraţi de carbon cu ajutorul bacteriei Clostridium cellobioparus; amoniac din uree cu Bacillus Pasteurii; hidrogen din acid formic cu Escherichia coli; etanol din hidraţi de carbon cu Saccaromzces (drojdie).

Biopilele directe folosesc aceste procese direct în baterie la biocatozi şi bioanozi. Aceste tipuri de pile au nevoie de condiţii foarte stricte pentru dezvoltarea bacteriilor: soluţii neutre şi temperaturi apropiate de cea ambiantă.

Biocurenţi. Se ştie că în organismele vii impulsurile nervoase sunt transmise prin biocurenţi. Aceştia sunt produşi la nivel de celulă de nişte pile cu membrane semipermeabile pe seama energiei chimice. Dacă două soluţii cu concentraţii diferite sunt separate cu o membrană semipermeabilă (de exemplu permeabilă pentru ionii de clor şi impermeabilă pentru ionii de natriu), de-a curmezişul membranei apare o cădere de potenţial (fig. 16.1).

196

Astfel de membrane sunt cele care delimitează celula vie în organismele animalelor.

Fig. 16.1 Formarea potenţialului de membrană. La aceste celule participă mult mai mulţi ioni: Na+, K+, Cl-, precum

şi ioni organici, iar permeabilitatea membranei se poate schimba în anumite condiţii.

Biocurenţii ating puteri impresionante în organele electrice ale unor peşti: anghila de apă dulce generează un curent de 1 A la o tensiune de 700 V, pe când torpila electrică trăind în apă sărată generează 50 A la o tensiune mai mică. Curentul este generat în salve de mii de impulsuri cu frecvenţa de 200 Hz.

În organismul animal există şi un proces de reformare a ionilor consumaţi în acest proces.

16.2.2 Producerea biologică a hidrogenului Cea mai tentantă idee de folosire a plantelor în scopuri energetice

este obţinerea directă a hidrogenului din apă cu ajutorul procesului de fotosinteză.

Am arătat că în procesul de fotosinteză se consumă apă şi CO2 şi rezultă O2 şi glucoză. În acest proces, sub influenţa luminii şi clorofilei într-o primă fază are loc descompunerea apei în oxigen şi hidrogen, asemănător electrolizei.

Există o enzimă, numită hidragenază, aflată în anumite plante cum sunt algele albastre, exemplu alga Anabama cylindrica, care în loc să fixeze carbonul din bioxidul de carbon şi să producă hidraţi de carbon, va produce hidrogen pe seama energiei solare şi a apei, elemente care se găsesc în natură în cantităţi nelimitate. Din această cauză acest fenomen este studiat în zeci de laboratoare din toată lumea.

Astfel prin anii ’80 , Jean Marie Lehn de la Universitatea din

+++++

_____

Cl-

NaCl soluţie NaCl soluţie

197

Strasbourg, a făcut public proiectul unei uzine de obţinere a hidrogenului, pornind de la principiul fotosintezei naturale, dar substituind cloroplastele existente în celulele vegetale cu o substanţă chimică pe bază de rutheniu, care are proprietatea de a absorbi radiaţia

solară, iar în locul enzimei naturale de oxidare, foloseşte rhodiu. Prin acest procedeu, conform rezultatelor communicate, se poate obţine 1 litru de hidrogen la oră consumând 1 g de rutheniu şi 5 g de rhodiu.

În CSI se află deja în construcţie o instalaţie de fotoliză pentru producerea hidrogenului utilizând energia solară. Ca fotoanozi se folosesc soluţii solide de TiO2-MnO2 sau ZnO-CdO, cu un randament de 1.7-1.8%. O instalaţie de acest tip, echipată cu 60 fotoanozi ceramici şi un concentrator de energie solară, cu o concentrare de 400 ori, produce0.5 litri de hidrogen pe oră. Şi în Japonia, doi oameni de ştiinţă, Henicki Honda şi A.

Fujishima, transpunând fotosinteza într-un model experimental, au reşit să reproducă fotoliza apei.

Există ţi alte metode de a produce hidrogenul pe cale biologică. Astfel, unele plante, de exemplu soia, o plantă cu arie largă de răspândire şi cu multiple intrebuinţări, produce în urma reacţiilor bionergetice din plantă mari cantităţi de hidrogen, miliarde de m3 de hidrogen anual numai de pe plantaţiile din SUA.

16.3.3 Producerea biogazului din biomasă Biogazul, sau gazul de mlaştină a fost descoperit de Volta în anul

1778, care a urmărit cum se formează acest gaz în fundul mlaştinilor prin fermentarea celulozei şi a resturilor vegetale sub acţiunea bacteriilor anaerobe.

La început se utiliza fermentarea anaerobă a nămolurilor obţinute în urma epurării apelor uzate orăşăneşti în scopul stabilizării acestora şi se producea biogaz fără importanţă economică. In ultimele decenii, în condiţiile unei penurii de combustibili fosili acest procedeu este tot mai des utilizat pentru producerea de biogaz în scopuri energetice.

Această metodă este recomandată şi stabilizării deşeurilor organice sub forma dejecţiilor agrozootehnice din mediul rural. In urma fermentaţiei anaerobe se obţine bigaz şi un îngrăşământ natural foarte

198

apropiat de humusul solului, aşa încât au obţinut în timp scurt o foarte largă răspândire: bihugas în Germania, gobar gas în India, marsh gas în China.Fermentarea anaerobă a deşeurilor organice se caracterizează prin existenţa a două faze distincte ce se desfăşoară în abseţa oxigenului molecular, iar fiecărei faze îi sunt caracteristice grupuri distincte de bacterii.

În prima fază, faza de lichefiere, bacteriile producătoare de acizi (facultativ anaerobe), însoţite de enzime extracelulare transformă materia organică în acizi organici volatili (acid acetic, propionic, butiric şi alţii)şi alte gaze în cantităţi reduse (amoniac, bioxid de carbon, hidrogen sulfurat etc.). Această fază se mai numeşte şi faza acidă a fermentării.

În faza a doua, faza gazoasă, bacteriile metanogene împreună cu enzime intracelulare transformă acizii organici volatili în metan. Bacteriile producătoare de metan sunt strict anaerobe şi cunosc o viteză de reproducere mai redusă decât bacteriile din prima fază, motiv pentru care procesul de fermentare trebuie permanent controlat.

Solidele lichefiate se numesc supernatant, în timp ce solidele stabilizate reprezintă nămolul fermentat. Ambele produse trebuie eliminate din bazinul de fermentare, la intervale regulate, pentru a preveni inhibarea fermentaşiei anaerobe şi pentru a crea spaţii utile necesare materiilor organice proaspete ce se introduc în mod continuu.

Instalaţii de biogaz standard. La acestea procesul are loc în cuve închise, caracterizate prin durate de reţinere a nămolului de 30-60 zile, evacuare intermitentă, lipsa încălzirii şi valori reduse ale încărcării zilnice cu materii organice. Pe măsură ce se realizează fermentarea, în instalaţie se formează, de sus în jos, o stratificaţie a materialului care cuprinde un strat de spumă, un strat de supernatant şi zona de nămol, aceasta din urmă comportă un substrat superior în fermentare activă şi un substrat de fund, relativ stabilizat. Producţia de gaz metan la această schemă (fig. 16.2) este redusă.

Schema de mare încărcare într-o singură treaptă. Această schemă este prevăzută cu sisteme de amestecare şi încălzire, constituind în prezent soluţia cea mai răspândită. Ele se caracterizează prin încălzirea spaţiului de fermentare la o temperatură de 30-35 °C, alimentare şi evacuare continuă sau intermitentă, conţinut omogen şi

încărcarea cu substanţe organice de 2-3 kg/m3 şi zi.

199

Fig. 16.2 Bazin de fermentare standard. Sistemul Darmstadt. Acest sistem a fost conceput de către prof.

Reinhold de la Institutul Superior Tehnic din Darmstadt pentru o gospodărie rurală mică (7-8 animale mari) şi este prezentat în figura 16.3.

Fig. 16.3 Instalaţie de biogaz cu canal de fermentare. Spaţiul de fermentare se prezintă sub forma unui bazin din beton

armat, având forma unui canal, cu lungimea de 3-5 m, lăţimea de 2 m şi adâncimea de 2.2 m. Acest canal este îngropat în pământ şi izolat termic pe toate laturile. La capete canalul se prezintă cu două deschideri, de alimentare şi de evacuare, iar transportul materiei organice prin canal este rezolvat cu ajutorul unui arbore cu elice. Acest dispozitiv îndeplineşte şi rolul de amestec al stratului activ cu

grajd

gunoi şi dejecţii

gazometru

gaz

gunoi fermentat

arbore cu palete

inst. de încălzire canal de fermentare

evacuare nămol

alimentare dejecţii evacuare

supernatant

gaz gaz

nămol activ supernatant

nămol fermentat

200

stratul fermentat al materiei organice din spaţiul de fermentare, precum şi pentru distrugerea crustei formate la suprafaţă. Amestecul se face de două-trei ori pe zi timp de câteva minute, turaţia arborelui fiind de 1 rot/min, antrenarea făcându-se printr-un reductor de la un motor electric de 1 kW.

Gazul se captează la partea superioară a canalului de fermentare şi se dirijează de la un dom, instalat pe capacul canalului, spre rezervorul de gaz (gazometru). Spaţiul de fermentare este încălzit cu o conductă de apă caldă, la 28-30°C.

În China, milioane de generatoare de biogaz, produc pentru provincia sudică, peste 80% din energia consumată de populaţie.

În Franţa se produc annual 4 milioane tone de metan, numai prin conversia dejecţiilor de la crescătoriile de animale.

Japonia, Elveţia şi unele ţări din Africa au planuri de a introduce metanizarea deşeurilor urbane precum şi a dejecşiilor din zootehnie. Şi în ţara noastră s-au făcut cercetări şi s-au realizat instalaţii de

biogaz, atât pentru mici gospodării agricole, cât şi pentru prelucrarea dejecţiilor la mari combinate zootehnice sau a nămolurilor de la staţiile de epurare a apelor.

16.2.4 Biocarburanţii În ultimul timp, în condiţiile unei penurii de petrol, apar tot mai

mulţi biocarburanţi lichizi, produşi pe bază de biomasă. În Brazilia şi SUA sunt numiţi gazohol, în Franţa carburol. Indiferent de denumire, toate au la bază etanolul.

În SUA, aproape o zecime din motoarele folosite în anii ’90 consumau un amestec de 10% etanol şi benzină, produs devenit atractiv prin scutirea de taxe statale şi federale. În Brazilia, etanolul pur- de fapt alcoolul etilic găsit ţi în băuturile alcoolice- este distilat din trestie de zahăr şi folosit de o treime din automobilele ţării. În amestec cu benzină alcoolul furnizează energie pentru jumătate din automobilele ţării.

Se studiază şi alte plante de cultură pentru a produce energie. Ţările africane merg spre manioc, europenii spre sfecla de zahăr.

S-a pus întrebarea, dacă există un arbore de pâine şi unul de cauciuc, de ce nu ar exista şi unul de benzină.

201

S-a descoperit în Brazilia un copac, numit kobaifer, care produce un lichid ce poate fi pus direct în rezervorul unei maşini şi folosit drept combustibil. Acesta este numai un ewxemplu din numărul mare de plante cercetate în prezent pentru a fi folosite ca sursă de hidrocarburi. Laureatul Premiului Nobel pentru lucrările privind mecanismul fotosintezei, Melvin Calvin, a observat că unele plante transformă complet carbonul fixat prin fotosinteză în hidrocarburi. un exemplu este arborele de cauciuc. El a descoperit specia Euforbia Lathiris. Această plantă creşte rapid pe terenuri sărace, în zona intertropicală din Brazilia.

Mobil Oil a efectuat experienţe pentru extragerea benzinei din această plantă. Printr-un proces de cataliză, utilizat la petrolul brut, acesta a obţinut toate bunătăţile de care are nevoie industria chimică.

BIBLIOGRAFIE

1. Flavin C., Lenssen N., Valul energetic, ET, Bucureşti 1996 2. Tănăsescu F.T., s.a., Conversia energiei. Tehnici neconvenţionale, ET,

Bucureşti 1986. 3. Folescu G., Aventura surselor de energie, Ed. Albatros, Bucureşti 1981. 4. Lazăr I., Dezvoltarea producţiei de energie, Ed. Dacia, Cluj-Napoca

1984. 5. Sălăjan V., Constantin D., SCÎNTEILE SPERANŢEI o nouă eră

energetică, EP, Bucureşti 1984. 6. Viesturs U. s.a., BIOTEHNOLOGIE, Ed. CERES, Bucureşti 1991. 7. Raboca N., Energetica Mondială. Aspecte geografice, Ed. Sarmis, Cluj-

Napoca 1995. 8. Oniciu L., Constantinescu E., Electrochimie şi coroziune, EDP,

Bucureşti 1982. 9. Maghiar T., Surse noi de energie, Editura Mediamira, Cluj-Napoca 1996.

* * *