Biomass. Alternative energy source - Gheorghe Valentin Roman

Amploarea si diversitatea problemelor cu care se confrunta lumea contemporana, intre care pot fi mentionate cresterile demografice si problemele alimentatiei, indeosebi in tarile in curs de dezvoltare, artificializarea exagerata a vietii, utilizarea excesiva a resurselor naturale si degradarea acestora, consumurile energetice ridicate pentru sustinerea dezvoltarii economice, inclusiv a agriculturii, si poluarea mediului au declansat reactii repetate si tot mai alarmante din partea comunitatii internationale.

Problemele energetice sunt una dintre temele care ocupa un loc central intre preocuparile si framantarile prezentului, acestea devenind importante in actualitatea discutiile internationale odata cu declansarea crizei energetice din anii `70 ai sec. XX, cand, intr-un interval scurt de timp, preturile petrolului pe piata internationala au crescut foarte mult, din dorinta statelor producatoare de petrol de a beneficia mai mult de aceasta resursa care in mod inevitabil se va epuiza in timp. Momentul a fost bine folosit de aceste state, dar actiunea a declansat o criza economica la nivel global, a creat neliniste si incertitudine si a aratat cat de dependente sunt economiile nationale de sursele de combustibili fosili si cat de vulnerabile sunt sub aspect  energetic.

Reactia statelor dependente de combustibilii fosili a fost destul de rapida, au fost demarate cercetari si au fost finantate initiative pentru gasirea altor resurse de energie, fie identificarea altor surse de combustibili fosili - petrol si gaze naturale, fie studierea si dezvoltarea unor surse regenerabile de energie, a caror exploatare fusese considerata pana atunci nerentabila.

Progresele au fost spectaculoase. De exemplu, zacamintele de petrol si gaze naturale din Marea Nordului au asigurat prosperitatea pentru tari cum este Norvegia. Dar, ne gandim mai ales la progresele spectaculoase inregistrate de utilizarea energie solare si a vantului, a celei geotermale, a biomasei si a altor surse neconventionale de energie.

Utilizarea energetica a biomasei are particularitati distincte, deoarece biomasa este, prin traditie, o sursa importanta de energie. Lemnul de foc, resturile vegetale si deseurile organice sunt utilizate prin combustie pentru a produce energie termica si/sau electrica, sau sunt supuse proceselor de fermentare. Incepand din anii de criza, utilizarile energetice ale biomasei s-au amplificat si diversificat, pe de o parte prin atragerea in circuitul energetic a noi resurse si sporirea continutului energetic al acestora, dar si prin perfectionarea instalatiilor de ardere, dezvoltarea unor tehnologii tot mai perfectionate de producere a unor biocarburanti cu mare eficienta energetica si mai usor de utilizat. Au fost dezvoltate procedee de gazificare, piroliza, fermentare aeroba pentru obtinerea de bioetanol si fermentare anaeroba pentru obtinerea de biogaz, au fost dezvoltate tehnologii pentru extragerea si procesarea grasimilor vegetale sau animale, in biocombustibili de tip biodiesel, iar industriile producatoare de masini au dezvoltat echipamente de producere a biocombustibililor si masini pentru utilizarea acestora.

In acest context se inscriu preocuparile Colectivului de Fitotehnie de la Facultatea de Agricultura din Bucuresti care a fost implicat in activitatea de cercetare-dezvoltare in acest domeniu incepand cu anul 1981, cand a fost angrenat in cercetarile din cadrul Programului: „Producerea de biomasa vegetala (fitomasa) utilizabila in scopul obtinerii de energie si de substante chimizabile” (1981-1990, in colaborare cu Institutul de Cercetari pentru Cereale si Plante Tehnice Fundulea).

In cursul acestei colaborari au fost efectuate cercetari in campurile experimentale de la Saftica, Moara Domneasca, Slobozia Moara si in laboratorul de fitotehnie din cadrul facultatii, la culturile de sorg zaharat, topinambur, porumb, sorg pentru boabe, floarea-soarelui, cartof, sfecla de zahar, iarba de Sudan si hibridul sorg x Iarba de Sudan, precum si la un sortiment de specii vegetale cu mare capacitate de producere a biomasei si de reala perspectiva pentru extinderea cultivarii in scop energetic.

Dupa anul 1990, preocuparile colectivului in acest domeniu au continuat in cadrul unor proiecte cu finantare interna si internationala. In acest sens, incepand cu anul 1994, colectivul a fost inclus in echipe de cercetare la nivel european, prin participare la: Programul CEE-PECO-JOU2, proiectele „Lessons of Denmark and Austria on the Energy Valorisation of Biomass” („Exemplele Danemarcei si Austriei privind valorificarea energetica a biomasei”; 1993-1996), coordonat de Profesorul Spyros Kyritsis, de la Universitatea Agricola din Atena, Grecia si „Bioethanol production from Sweet-Sorghum” („Producerea de bioetanol din sorgul zaharat”; 1993-1996), coordonat de Profesorul David O.Hall, de la King’s College London, Marea Britanie; Programul CEE-RENA-ASAS, proiectul „Study of a RE energy concept for towns in Eastern Europe taking into account the surrounding regions with high biomass potential” („Studiu asupra unui concept privind energiile regenerabile pentru orasele din Europa de Est luand in consideratie regiunile invecinate cu potential ridicat de biomasa”; 1995-1996), coordonat de Profesorul Spyros Kyritsis; Programul CEE-INCO-FAIR, proiectul „EC Biomass for Energy Strategy for Central and Eastern European Countries” („Strategia pentru Biomasa energetica a Comunitatii Europene pentru tarile din Europa Centrala si de Est”; 1997-1999), coordonat de Dr. Alec Hollingdale, de la Natural Resources Institute, University of Greenwich, Marea Britanie; Programul UE-FP5-TRAM, proiectul „Clear Data for Clean Fuels” („VIEWLS”) („Date clare pentru conbustibili curati”; 2003-2005), coordonat de Eric van den Heuvel, Netherlands Agency for Sustainability and Innovation, Olanda.

Aceste colaborari au prilejuit informarea stiintifica la zi, contactul cu tematica de cercetare-dezvoltare care preocupa mediile academice si economice la nivel european si mondial, au asigurat colaborari, contacte si discutii cu colective de cercetare-dezvoltare performante, de mare prestigiu, din: Franta (INRA Grignon), Marea Britanie (King`s College London; Natural Resources Institut, University of Greenwich); Grecia (Universitatea Agricola din Atena; Universitatea Nationala Tehnica din Atena); Olanda (Netherlands Agency for Sustainability and Innovation; University of Utrecht); Slovenia (Universitatea din Maribor) s.a.

Preocuparile privind biomasa energetica au continuat, s-au diversificat si au capatat amploare in cadrul Proiectului „OPTImization of BIOMass and Approach to Water conservation” („OptiBioma-W”) (Contract nr. 45/2012), coordonat de Prof.dr.Viorel Ion, Colectivul de Fitotehnie din Facultatea de Agricultura Bucuresti, care a abordat o tematica foarte diversa referitoare la tehnologiile de cultivare si productivitatea speciilor de interes sub aspect energetic pentru conditiile din Romania.

Autorii lucrarii au fost angrenati la aceste cercetari, unii inca din anul 1981, altii au fost inclusi in echipa de cercetare pe parcursul deceniilor care au urmat. Au fost elaborate lucrari de doctorat, proiecte de diploma si lucrari de disertatie, continand datele obtinute, rezultatele experimentale au fost comunicate la manifestari stiintifice din tara si din strainatate si au fost incluse in strategiile privind rezolvarea problemelor energetice la nivelul Uniunii Europene.

Lucrarea este redactata in cea mai mare masura, pe baza rezultatelor experimentale proprii. Pe langa datele obtinute in experimentarile in camp si laborator, prezentate si comentate in detaliu, cu privire la speciile agricole ce prezinta interes in climatul temperat, au fost incluse informatii si comentarii asupra unor culturi energetice de interes pentru alte zone climatice; totodata, au fost dezvoltate capitole asupra altor surse de biomasa energetica, cum sunt reziduurile agricole, biomasa forestiera, deseuri municipale, menajere si industriale.

Rezultatele cercetarilor proprii si comentariile referitoare la sursele de biomasa energetica au fost incadrate in problematica mai larga referitoare la problemele energetice la nivel national, continental si global, biomasa, formarea acesteia si productivitatea diferitelor ecosisteme, tehnologiile de conversie a biomasei in energie si lucrarea se incheie cu comentarii asupra unor aspecte de mediu, economice, sociale si legislative in legatura cu utilizarea energetica a biomasei.

Autorii

PREFATA/ 5

INTRODUCERE/15

1. Aspecte generale/ 15

2. Provocari cu care se confrunta societatea umana/ 17

2.1. Problemele demografice si asigurarea hranei /17

2.2. Poluarea si schimbarile climatice/ 20

2.3. Preocupari pentru o dezvoltare durabila /21

CAPITOLUL 1. ENERGIA, AGRICULTURA SI MEDIUL NATURAL/ 24

1.1. Fluxurile de energie in sistemele alimentare /24

1.1.1. Fluxul de energie in societatile de vanatori-culegatori / 24

1.1.2. Fluxul de energie in productia agricola bazata pe puterea umana /26

1.1.3. Fluxul de energie in productia agricola bazata partial pe puterea animalelor /26

1.1.4. Fluxul de energie in productia agricola mecanizata/27

1.2. Sursele de energie/ 29

1.2.1. Aspecte generale /29

1.2.2. Sursele conventionale de energie /29

1.2.2.1. Caracteristicile surselor conventionale de energie/ 29

1.2.2.2. Carbunele /31

1.2.2.3. Petrolul /32

1.2.2.4. Gazul natural /32

1.2.2.5. Productia de energie primara a Romaniei in context european/ 33

1.2.3. Sursele regenerabile de energie/ 36

1.2.3.1. Energia solara /36

1.2.3.2. Energia apei (hidroenergia)/ 37

1.2.3.3. Energia eoliana/39

1.2.3.4. Energia geotermala /41

1.2.3.5. Biomasa/ 42

1.2.3.6. Energiile marine / 44

1.2.3.7. Energia nucleara / 45

1.2.3.8. Productia si consumul de energii regenerabile in Romania, in context european/ 46

1.3. Consumurile energetice, efectul de sera si schimbarile climatice /48

1.3.1. Despre efectul de sera /48

1.3.2. Gazele cu efect de sera/ 49

1.3.3. Emisiile de gaze cu efect de sera si poluanti ai aerului din Romania, in context european/ 52

CAPITOLUL 2. ASPECTE GENERALE CU PRIVIRE LA BIOMASA/ 55

2.1. Conceptul de biomasa /55

2.2. Biomasa si ciclul / 57

2.3. Fotosinteza si producerea biomasei /62

2.3.1. Aspecte generale privind fotosinteza/ 62

2.3.2. Procesele fizice ale fotosintezei /64

2.3.3. Factori de mediu care influenteaza fotosinteza /65

2.3.4. Fotosinteza si acumularea biomasei /69

2.4. Energia solara/74

2.4.1. Generalitati privind energia solara/ 74

2.4.2. Interceptarea energiei solare /79

2.5. Productivitatea ecosistemelor/82

2.5.1. Generalitati/ 82

2.5.2. Productia de biomasa a diferitelor ecosisteme/ 83

CAPITOLUL 3. PROCEDEE DE CONVERSIE A BIOMASEI IN ENERGIE/ 88

3.1. Generalitati /88

3.2. Procedee fizice de conversie/ 90

3.2.1. Uscarea/90

3.2.2. Compactarea (presarea) /90

3.2.3. Extragerea uleiului vegetal si a altor materii cu utilizare energetica /92

3.3. Procedee de conversie termochimica /94

3.3.1. Combustia /94

3.3.2. Gazificarea/ 97

3.3.3. Piroliza/ 98

3.4. Procedee biologice de conversie /100

3.4.1. Producerea de bioetanol (fermentarea alcoolica) /100

3.4.2. Producerea de biogaz (fermentarea anaeroba sau digestia)/ 103

3.4.3. Biofotoliza/ 107

CAPITOLUL 4. CULTURI ENERGETICE/ 108

4.1. Generalitati /108

4.2. Culturi agricole producatoare de amidon sau inulina/ 111

4.2.1. Triticale (Triticosecale Wittm.) /111

4.2.2. Porumbul (Zea mays L.) /122

4.2.3. Sorgul (Sorghum bicolor (L.) Moench., sin. S.vulgare Pers.) / 139

4.2.4. Cartoful (Solanum tuberosum L.)/ 151

4.2.5. Topinamburul (Helianthus tuberosus L.)/167

4.2.6. Maniocul (Manihot esculenta Crantz.) /183

4.3. Culturi agricole producatoare de substante dulci/ 191

4.3.1. Sfecla de zahar (Beta vulgaria L., subsp. vulgaris)/ 191

4.3.2. Sorgul zaharat (Sorghum bicolor (L.) Moench. Var saccharatum)/203

4.3.3. Trestia de zahar (Saccharum officinarum L.) /220

4.4. Culturi agricole producatoare de grasimi /228

4.4.1. Rapita (Brassica napus L., subsp. oleifera D.C/228

4.4.2. Floarea-soarelui (Helianthus annuus L.)/ 236

4.4.3. Camelina (Camelina sativa (L.) Crantz.) /252

4.5. Culturi agricole lignocelulozice/261

4.5.1. Iarba de Sudan (Sorghum bicolor (L.) Moench, var. sudanense) si Hibridul sorg x iarba de Sudan (Sorghum bicolor var. eusorghum x Sorghum bicolor var. sudanense)/ 261

4.5.2. Miscanthus (Miscanthus x giganteus)/ 270

4.5.3. Cardonul (Cynara cardunculus L.)/ 279

4.5.4. Amaranthus (Amaranthus spp. L.)/ 285

4.5.5. Plantatii forestiere intensive / 296

4.5.5.1. Salcia (Salix spp.)/ 296

4.5.5.2. Plopul (Populus spp.)/ 305

4.6. Alte culturi energetice/ 308

4.6.1. Speciile din genul Polygonum, fam. Polygonaceae/ 308

4.6.2. Silphium perforatum L., fam. Asteraceae/ 309

4.6.3. Jatropha (Jatropha curcas L.), fam. Euphorbiaceae /312

4.6.4. Jojoba (Simmondsia chinensis (Link) C.K. Schneid), fam. Simmondsiaceae/314

4.6.5. Arundo donax L., fam. Poaceae (Gramineae) /315

4.6.6. Meiul perlat (Pennisetum americanum (L.) Leeke, sin. P.glaucum (L.) R.Br.), fam. Poaceae (Gramineae)/ 317

4.6.7. Panicum virgatum L., fam. Poaceae (Gramineae)/ 318

4.6.8. Sida hermaphrodita, fam. Malvaceae /319

4.7. Specii vegetale acvatice / 321

CAPITOLUL 5. REZIDUURILE AGRICOLE SI UTILIZAREA LOR ENERGETICA /323

5.1. Reziduurile agricole vegetale/323

5.1.1. Generalitati /323

5.1.2. Resurse de reziduuri vegetale pe teritoriul Romaniei/ 324

5.1.3. Reziduurile din cultura cerealelor paioase/ 325

5.1.3.1. Aspecte generale /325

5.1.3.2. Productiile de paie in Romania si valoarea lor energetica /329

5.1.4. Reziduurile din cultura porumbului/ 334

5.1.5. Alte reziduuri agricole vegetale/ 338

5.2. Reziduurile de la cresterea animalelor/ 341

5.2.1. Aspecte generale/ 341

5.2.2. Potentialul energetic al reziduurilor animale/ 343

5.2.3. Cantitatile de reziduuri de la cresterea animalelor in agricultura Romaniei si potentialul lor energetic/ 344

CAPITOLUL 6. VEGETATIA FORESTIERA SI PRODUCEREA ENERGIEI/350

6.1. Aspecte generale/ 350

6.2. Componentele biomasei speciilor forestiere si consideratii asupra utilizarii energetice /352

6.2.1. Componentele biomasei forestiere/ 352

6.2.2. Consideratii asupra valorii energetice a biomasei forestiere /354

6.3. Resursele forestiere ale Romaniei si potentialul lor energetic/ 357

6.3.1. Resursele forestiere ale Romaniei in context european / 357

6.3.2. Fondul forestier /358

6.3.3. Principalele specii forestiere din Romania, caracteristici si potential energetic /361

6.3.4. Evaluarea resurselor de biomasa forestiera in Romania si potentialul energetic /363

6.3.5. Volumele de masa lemnoasa recoltate in Romania si destinatiile acestora /366

CAPITOLUL 7. DESEURILE ORGANICE MENAJERE, MUNICIPALE SI INDUSTRIALE SI PRODUCEREA ENERGIEI/ 368

7.1. Generalitati/ 368

7.2. Deseurile municipale si deseurile menajere/ 369

7.2.1. Organizarea colectarii si epurarii/ 369

7.2.2. Clasificarea deseurilor municipale si menajere si componenta acestora /370

7.2.2.1. Deseurile menajere /370

7.2.2.2. Procedee de procesare si valorificare energetica a deseurilor municipale si menajere/371

7.2.2.3. Apele uzate comunale /374

7.3. Deseurile industriale si potentialul lor energetic/ 375

7.3.1. Generalitati/375

7.3.2. Deseurile rezultate de la procesarea produselor agricole vegetale/376

7.3.3. Deseurile rezultate de la procesarea produselor agricole animale/ 378

7.3.4. Deseurile din industria celulozei si hartiei /379

7.3.5. Ape uzate industriale cu continut de substante organice/ 380

7.4. Resursele de deseuri in Romania si potentialul energetic /381

7.4.1. Situatia deseurilor produse in Romania, in context european/ 381

7.4.2. Organizarea procesarii deseurilor in Romania/ 384

7.4.3. Evaluarea resurselor de deseuri menajere din Romania si potentialul energetic /385

7.4.3.1. Rezultatele evaluarilor efectuate in anii 1995 – 1996/ 385

7.4.3.2. Rezultatele evaluarilor efectuate in anii 2005 – 2006/ 387

CAPITOLUL 8. ASPECTE DE MEDIU, ECONOMICE SI SOCIALE IN LEGATURA CU BIOMASA CA SURSA DE ENERGIE /391

8.1. Aspecte de mediu /391

8.1.1. Generalitati/ 391

8.1.2. Performantele de mediu pentru bioetanol/ 392

8.1.3. Performantele de mediu pentru biodiesel /394

8.1.4. Performantele de mediu pentru combustia substantelor lignocelulozice/

8.1.5. Performantele de mediu pentru biogaz/ 397

8.1.6. Performante ale culturilor energetice sub aspect ecologic / 399

8.2. Aspecte economice/400

8.2.1. Costurile interne si externe ale biocombustibililor pentru transporturi / 400

8.2.2. Sistemele de productie agricola si biomasa energetica/ 402

8.2.3. Productia de biomasa energetica si rotatia culturilor/ 402

8.2.4. Alte aspecte economice /403

8.3. Aspecte sociale/404

8.3.1. Crearea si sustinerea de locuri de munca/404

8.3.2. Biomasa energetica ca sursa de venituri pentru agricultori /405

8.4. Legislatia in legatura cu producerea si utilizarea energetica a biomasei/406

DILEMA „HRANA SAU ENERGIE” (in loc de Postfata) /409

BIBLIOGRAFIE /412