Universitatea “OVIDIUS” Constanţa

Facultatea de Stiinte Aplicate si Inginerie

Specializare: Tehnologii si Management în Prelucrarea Petrolului

Generatiile de

biocombustibili

Masterand,

Constanţa

2014

CUPRINS

Introducere...............................................................................................................................3

Capitolul 1. Stadiul actual şi perspective de dezvoltare a biocombustibililor..........................4

1.1. Biomasa.......................................................................................................................6

Capitolul 2. Generaţiile de biocombustibili..............................................................................8

2.1. Biocombustibili de primă generaţie.............................................................................8

2.2. A doua generatie de biocombustibili………………………………...……………....8

2.3. A treia generaţie de biocombustibili..........................................................................11

2.4. A patra generaţie de biocombustibili.........................................................................12

CONCLUZII...........................................................................................................................13

BIBLIOGRAFIA....................................................................................................................14

Introducere

Utilizarea biocombustibililor este în prezent extinsă pe tot globul, deoarece oferă mai

multe avantaje decât combustibilii fosili (sunt netoxici, biodegradabili si regenerabili).

Argumente pro şi contra biocombustibililor sunt discutate în contextul unor probleme

internaţionale, inclusiv reducerea de emisii de carbon şi nivelurile preţului petrolului,

"alimente versus combustibil", producţia durabilă a combustibilului, defrişarea şi eroziunea

solului, impactul asupra resurselor de apă, potenţialul de reducere a sărăciei, echilibrul şi

eficienţa energetică, precum şi producţia centralizată versus cea descentralizată.

Dezvoltarea combustibililor din surse regenerabile, cum ar fi

bioetanolul şi biodieselul, are o mare importanţă în securizarea rezervelor viitoare de

energie, în scăderea dependenţei de ţiţei, în reducerea  emisiilor de CO2 şi a impactului

asupra mediului, cât şi în dezvoltarea economiilor rurale.

Biocombustibilii sunt combustibili solizi, lichizi sau gazoşi obţinuţi din biomasă,

plante oleaginoase, ierboase sau lemnoase, deşeuri agricole şi forestiere, deşeuri organice

municipale şi industriale. Teoretic, biocombustibilii pot fi obţinuţi din orice sursă biologică

de carbon. Industria biocombustibililor este în continuă schimbare şi dezvoltare strâns legată

de costurile materiilor prime, emisiile de gaze cu efect de seră (CO2), durabilitate.

În România există un potenţial agricol deosebit pentru cultivarea plantelor destinate

producerii de biocombustibili.  În România, biocarburanţii se obţin prin procesarea culturilor

de rapiţă, porumb, floarea-soarelui şi soia. Astfel, din totalul suprafeţei cultivate cu plante

destinate producerii de biocarburanţi, rapiţa reprezintă 62 %, floarea-soarelui 23,9 %,

porumbul 10,8 % şi soia 3,3 %.

Din păcate, în România nu există instalaţii pentru producerea de biocarburanţi de a

doua generaţie, care se bazează pe tratamentul lignocelulozic. Prin acest procedeu se pot

obţine importante cantităţi de biocarburanţi.

 În schimb România beneficiază de un potenţial energetic considerabil de biomasă,

evaluat la 7,6 milioane de tone pe an (deşeuri agricole, reziduuri din exploatări forestiere,

deşeuri menajere).

Capitolul 1. Stadiul actual şi perspective de dezvoltare a biocombustibililor

Potrivit unui studiu publicat de Institutul European pentru Politici de Mediu (IEEP)

strategia Uniunii Europene cu privire la promovarea utilizării biocombustibililor ca sursă de

energie regenerabilă riscă să genereze efectul invers celui scontat, adică o creştere nominală a

emisiilor de gaze cu efect de seră la nivelul întregii Uniuni Europene.

Prognozele realizate de reţeaua de cercetători europeni parteneri ai IEEP arată că

modul în care ţările UE intenţionează să pună în aplicare directiva CE/28/2009 cu privire la

introducerea biocarburanţilor va duce la extinderea suprafeţelor exploatate şi astfel la

pierderea unor habitate precum păduri, lunci sau păşuni care absorbeau şi înmagazinau în

mod eficient dioxid de carbon - gazul cu efect de seră produs cu predilecţie în activităţile

umane. Adoptată ca parte a cadrului general de politici pentru combaterea încălzirii globale şi

de promovare a independenţei energetice, CE/28/2009 prevede ca până în anul 2020 -10%

din necesarul de carburanţi pentru transport să fie produs din surse regenerabile[1].

Cu alte cuvinte, din anul 2020 orice litru de benzină sau motorină vândut în Uniunea

Europeană va trebui să conţină o proporţie de etanol sau, respectiv, de derivate din uleiuri

vegetale pentru ca emisiile rezultate la ardere să fie mai curate, dar şi pentru a reduce

dependenţa UE de importurile de petrol. Imediat după publicarea studiului IEEP, Comisia

Europeană a ţinut să respingă concluziile, atrăgând atenţia că CE/28/2009 stipulează restricţii

clare cu privire la zonele în care vor putea fi înfiinţate noile culturi, interzicând despăduririle.

Studiul IEEP arată însă că, sub presiunea datei-limită 2020, dar şi a creşterii preţurilor la

alimente, producătorii agricoli vor opta pentru schimbarea destinaţiei culturilor deja existente

de grâu, porumb sau soia în culturi pentru biocombustibil şi vor reînfiinţa culturile alimentare

pe terenuri care în prezent nu sunt utilizate în agricultură.

Pe termen mediu biocombustibilii cunosc o creştere în producţie de la 1,8 milioane

barili/zi în 2010 la 2,7 mb/zi în 2015 (Figura 1), aceste creşteri fiind înregistrate în principal

în SUA, Europa şi Brazilia. Pe termen lung se estimează că tehnologiile de a doua generaţie

şi biocombustibilii de a treia generaţie – precum cei proveniţi din alge – vor deveni viabili

economic şi vor duce la o revigorare a disponibilităţii. În acest context se preconizează

creşteri în disponibilitatea biocombustibililor cu mai mult de 5 mb/zi din 2010 pentru a atinge

7,1 mb/zi în 2035.

Figura 1. Disponibilitatea biocombustibililor pe termen lung[4]

Capacitatea totală de producţie de biocombustibili din statele membre EU-28 a fost în

2009 de 24327 mii de tone, din care producţia de biodiesel a înregistrat 73% din total, iar

bioetanolul 15%. Germania, Spania, Franţa şi Italia deţineau 80% din capacitatea totală de

producţie în Uniunea Europeană în 2009[6]. Din 2005 în 2009 producţia de biocombustibili a

crescut de trei ori, înregistrând în 2009 un total de 14529 mii de tone (bioetanol, biodiesel şi

alţi biocombustibili) din care 57,4% reprezintă biodiesel şi 20,1% bioetanol. Germania a fost

în 2009 ţara cu cea mai mare producţie în EU-28 cu 37%, urmată de Franţa cu 18%. România

a înregistrat în 2009 un total de 87 mii de tone, reprezentând 0,59% din totalul EU-2. Ritmul

de creştere rapid în ceea ce priveşte cererea de energie primară observat în ulitmele decade în

ţările non-OECD (Organisation for Economic Cooperation and Development) va continua,

reprezentând o reflexie a ratei rapide de creştere a populaţiei, activităţii economice,

urbanizării şi producţiei industriale.

Figura 2. Biocombustibili: a) capacitatea de producţie, b) producţia primară în EU[3]

1.1. Biomasa

Biomasa reprezintă componentul vegetal al naturii. Ca formă de păstrare a energiei

Soarelui în formă chimică, biomasa este unul din cele mai populare şi universale resurse de

pe Pământ. Ea asigură nu doar hrana, ci şi energie, materiale de construcţie, hârtie, ţesături,

medicamente şi substanţe chimice. Biomasa este utilizată în scopuri energetice din momentul

descoperirii de către om a focului[5]. Astăzi combustibilul din biomasă poate fi utilizat în

diferite scopuri - de la încălzirea încăperilor până la producerea energiei electrice şi

combustibililor pentru automobile. În Figura 4 este prezentată schema de valorificare a

biomasei.

Forme de valorificare energetică a biomasei (biocarburanţi):

Ardere directă cu generare de energie termică;

Arderea prin piroliză, cu generare de singaz (CO+H2);

Fermentarea, cu generare de biogaz (CH4) sau bioetanol (CH3-CH2-OH) - în cazul

fermentării produşilor zaharaţi; biogazul se poate arde direct, iar bioetanolul, în

amestec cu benzina, poate fi utilizat în motoarele cu combustie internă;

Transformarea chimică a biomasei de tip ulei vegetal prin tratare cu un alcool şi

generare de esteri, de exemplu metil esteri (biodiesel) şi glicerol. În etapa următoare,

biodieselul purificat se poate arde în motoarele diesel;

Degradarea enzimatică a biomasei cu obţinere de etanol sau biodiesel. Celuloza poate

fi degradată enzimatic la monomerii săi, derivaţi glucidici, care pot fi ulterior

fermentaţi la etanol;

Biocombustibilii obtinuţi din biomasă se pot clasifica în două mari categorii:

1. Biocombustibili convenţionali, sau prima generaţie de biocombustibili:

- Ulei vegetal pur

- Biodiesel

- Bioetanol

2. Biocombustibili avansaţi, sau a doua generaţie de biocombustibili:

- Combustibil (Diesel) Fischer – Tropsch

- Bioetanol (din biomasa lignocelulozica)

- Ulei de piroliza

- Hidrogen

- Biometanol

- Bio-DME

- Bio-SNG (prin gazeificarea biomasei)

- Biohidrogen (prin gazeificarea biomasei)

- Biometan

- Biobutanol

În Figurile 3 şi 4 sunt schiţate procesele de valorificare a biomasei.

Figura 3. Valorificarea biomasei [12]

Figura 4. Procesarea biomasei [12]

Capitolul 2. Generaţiile de biocombustibili

Datele bibliografice enumeră patru generaţii de biocombustibili:

2.1. Biocombustibili de primă generaţie sunt biocombustibili fabricaţi din zahăr,

amidon, ulei vegetal sau grăsimi animale folosind tehnologii convenţionale.

Materiile prime de bază pentru producţia de biocombustibili din prima generaţie sunt

de regulă seminţe (soia), cereale (cum ar fi grâul, care produce amidon, care este fermentat în

bioetanol) sau seminţe de floarea-soarelui, care sunt presate pentru a obţine ulei vegetal care

poate fi folosit în biodiesel[2].

Aceste materii prime sunt şi resurse alimentare pentru animal sau om şi în condiţiile în

care populaţia la nivel mondial este în creştere, utilizarea lor în producţia de biocombustibili

a fost criticată deoarece ar putea să conducă la penuria de alimente.

Cei mai comuni biocombustibili din aceasta generaţie sunt: uleiurile vegetale, biodisel,

bioalcooli (etanolul), biogazul.

Tabelul 1. Prima generaţie de biocarburanţi[2]

Biocarburanţi Nume specific Materie primă-biomasă

Proces de fabricare

Bioetanol Bioetanol convenţional Sfecla de zahăr, cereale Hidroliză şi fermentare

Ulei vegetal pur Ulei vegetal crud (PPO-pure plant oil)Biodiesel din culturi

energetice

Culturi oleaginoase (ex.seminţe de rapiţă)

Presare la rece/extracţie

Biodiesel Metil ester din seminte derapiţă

(RME) - Acid gras metal/ester

(FAME/FAEE)

Culturi de oleaginose (ex.seminţe de rapiţă)

Presare la rece / extracţie şi

transesterificare

Biodiesel Biodiesel din deşeuri(FAME/FAEE)

Deşeuri de la gătit/prăjit Transesterificare

Biogaz Biogaz purificat Biomasă (umedă) Digestare

Bio-ETBE Bioetanol Sinteză chimică

Producţia de biodiesel a crescut rapid în intreaga lume ca urmare a numeroaselor

avantaje ecologice şi economice pe care acest combustibil alternativ le poate avea comparativ

cu combustibilii similari obtinuţi din petrol. La ora actuală materiile prime utilizate la

fabricarea biodieselului reprezintă unul dintre aspectele importante şi suscită o atenţie sporită

mai ales din cauza preţurilor încă prohibitive ale uleiurilor vegetale. Oamenii de ştiinţă susţin

că utilizarea biocarburanţilor din cea de-a doua generaţie este cea mai indicată din punct de

vedere ecologic[7].

Avantajele biodieselului:

• Este o sursă regenerabilă de energie;

• Poate fi folosit în autovehicule fără să fie necesare modificări la motor;

• Are cifră cetanică mare şi o lubricitate bună;

• Nu conţine sulf ;

• Reduce substanţial emisiile poluante

(B100 – Biodiesel pur; B20 – amestec 80% motorina + 20% Biodiesel);

Tabelul 2. Emisii biodiesel[7]

Emisii B100 B20

Monoxid de carbon -43,2% -12,6%

Hidrocarburi -56,3% -11,0%

Pulberi -55,4% -18,0%

Oxid de azot +5,8% +1,2%

Toxine în aer -60% - 90% -12% - 20%

Efecte mutagenice -80%-90% -20%

Dioxid de carbon -78,3% -15,7%

Ţări precum Germania, Marea Britanie şi Statele Unite ale Americii au dezvoltat

sistemul de biocarburanţi din cea de-a doua generaţie, dar costurile pentru construcţia unor

astfel de biorafinării sunt foarte mari. Pe de altă parte, aceşti specialişti au sugerat că

reîmpăduririle şi protejarea habitatelor constituie o soluţie mai bună de micşorare a emisiilor

de gaze cu efect de seră. Ei susţin că pădurile ar putea absorbi de nouă ori mai mult CO2

decât ar putea-o face utilizarea de biocarburanţi în aceeaşi arie. Dimpotrivă, producerea de

biocarburant ar duce la alte defrişări.

2.2. A doua generaţie de biocombustibili includ biomasa din paie, coceni, plante nefurajere

şi nealimentare, deşeuri. Mulţi biocarburanţi din a doua generaţie sunt în curs de dezvoltare,

cum ar fi biohidrogen, biometanolul, DMF, Bio-DME, Fischer-Tropsch, amestec de alcooli

etc. Producerea de etanol din celuloză este o problemă tehnică dificil de rezolvat. În

laboratoare, procese experimentale diverse sunt în curs de dezvoltare. Astfel, procedeul

dezvoltat la USAMV Timisoara presupune prehidroliza acidă diluată în co-curent a biomasei

lignocelulozice (BLC) însoţită de zaharificarea enzimatică a celulozei reziduale şi co-

fermentarea glucozei şi xilozei rezultate la etanol.

În sistem aplicativ-industrial, pe lângă elaborarea procedeului de bază de conversie a

BLC la etanol, este necesară şi precizarea metodelor de manipulare şi stocare a BLC,

purificarea produsului, tratarea apelor reziduale, arderea ligninei reziduale, stocarea

produsului şi alte activităţi adiacente[2].

Descoperirea recentă a ciupercii Gliocladium roseum conduce spre producţia de aşa-

numit myco-diesel din celuloză. Acest organism a fost recent descoperit în pădurile tropicale

din nordul Patagoniei şi are capacitatea unică de a transforma celuloza în hidrocarburi de

lungime medie, care se găsesc de obicei în biodiesel.

Tabelul 3. Generaţia a doua de biocarburanţi[2]

Biocarburanţi Nume specific Materie primă-biomasă

Proces de fabricare

Bioetanol Bioetanol celulozic

Biomasă transformată în lichid (BTL)

Diesel Fischer-Tropsch

Material lignocelulozic Hidroliză avansată şi fermentaţie

Biocarburanţi sintetici

(Bio)diesel sinteticBiometanol

Amestecuri de alcooli superiori

Biodimetileter (Bio DME)

Material lignocelulozic Gazificare şi sinteză

Biogaz Gaz natural sintetic (SNG) Material lignocelulozic Gazificare şi sinteză

Biohidrogen - Material lignocelulozic Gazificare şi sinteză sau proces biologic

2.3. A treia generaţie de biocombustibili Combustibilul din alge este, de asemenea, încadrat în clasa biocombustibililor de nouă

generaţie.

Algele sunt materii prime cu un mare randament de a produce biocombustibil.

Ele produc de 30 de ori mai multă energie pe mp decât culturile pe teren. Luând în

calcul preţurile tot mai mari ale combustibililor fosili (petrolul), există un interes tot mai

crescut în cultura algelor pentru producere de biocombustibil.

În Statele Unite se estimează că în cazul în care combustibilul din alge înlocuieste tot

petrolul, ar fi nevoie 38.849 km2 cultură de alge, care ar fi aproximativ dimensiunea statului

Maryland[1]. În Figura 6 sunt prezentate posibilităţile de valorificare a algelor.

Selecţia algelor trebuie să ţină cont de climă, energia solară, calitatea apei, viteza de

creştere a algelor, conţinutul de ulei, compoziţia uleiului de alge, cerinţele pentru mediul de

creştere, posibilitatea creşterii în bioreactoare.

Figura 6. Posibilităţi de valorificare a algelor

Parametrii importanţi pentru creşterea algelor: nivelul energiei, timpul de expunere la

lumină (ciclul zi/noapte), temperatura şi debitul apei din proces, conţinutul de CO2,

conţinutul de macroelemente din mediul de creştere (C, N, P, Mg, Ca, K, Na, Cl), conţinutul

de microelemente din mediul de creştere (Fe, B, Zn, Mn, Mo, Cu, Co, Cd, V, Al, Ni, Cr, Br,

I, etc), conţinutul de vitamine;

Figura 7. Extracţia uleiului din alge [12]

2.4. A patra generaţie de biocombustibili reprezintă un pas înainte faţă de biocarburanţii degeneraţia a treia. O a patra generaţie de biocombustibili include microorganisme modificate

genetic pentru a produce combustibil direct din dioxid de carbon la scară industrială.

Cuvintele-cheie sunt "captarea si stocarea carbonului (CSC)", atât la nivel de materii

prime şi/sau tehnologia de procesare. Materia primă este adaptată nu numai pentru a

îmbunătăţi eficienţa de prelucrare, dar este, de asemenea, proiectată pentru captarea a mai

mult dioxid de carbon.

Metodele de prelucrare (în principal termochimice) sunt, de asemenea, cuplate la

"captarea şi stocarea carbonului", tehnologii care filtrează dioxidul de carbon generat în

formaţiuni geologice (stocări geologice, de exemplu, în câmpurile de petrol epuizate) sau prin

depozite minerale (cum ar fi carbonaţii).

În acest fel, biocombustibili din a patra generaţie contribuie la o mai buna reducere a

emisiilor gazelor cu efect de seră. Biocombustibili a patra generaţie rezumă conceptul de

"bioenergie cu stocare de carbon"[2].

CONCLUZII

Biocarburaţii de prima şi a doua generaţie cum ar fi biodiesel şi etanol au un număr de

limitări inerente care îi face mai puţin ideali ca înlocuitori pe termen lung pentru petrol.

Materii prime pentru etanol (porumb şi trestia de zahar) şi biodiesel (rapiţă, soia şi palmier)

sunt toate culturile alimentare pe bază care concurează pentru terenurile agricole limitate, apă

şi îngrăşăminte. Aceşti combustibili nu pot fi utilizaţi în motoarele nemodificate şi nu sunt

aplicabili pieţei de combustibili pentru avioane.

În timp ce biocarburanţii din prima şi a doua generaţie deţin peste 99% din producţia

curentă de biocombustibil la nivel mondial - iar SUA foloseşte deja 30% din stocul de

porumb pentru a înlocui aproximativ 6% din consumul de benzină – un număr de tehnlogii

importante sunt pe punctul de a comercializa carburanţi cu aceleaşi caracteristici chimice ca

şi petrolul.

Oportunităţile pe care le prezintă biocombustibilii avansaţi sunt în mare măsură

neînţelese, atât de factorii de decizie politică cât şi de finanţatori. În timp ce porumbul,

zahărul, etanolul celulozic şi biodieselul sunt ceea ce majoritatea oamenilor cred despre

atunci când aud termenul "biocombustibili", nici unul dintre acesti combustibili nu sunt

candidaţi potriviţi pentru a dezvăţa societatea de dependenţa de petrol. În schimb,

biocombustibilii din cea de-a treia si a patra generaţie ar putea deveni alternative viabile la

petrol în anii următori, în condiţiile în care se va investi mai mult în cercetarea din acest

domeniu[8].

Ultimii ani au arătat cum piaţa de biocombustibili poate fi serios afectată de

schimbarea politicilor, evenimentele macroeconomice şi de creşterea preţului la petrol.

Interacţiunea acestor factori afectează profitabilitatea industriei şi, în consecinţă, modifică

decizia de a investi în cercetare şi dezvoltare. Odată cu maturizarea industriei de

biocombustibili şi creşterea îngrijorării în legătură cu competitivitatea dintre alimente şi

combustibil şi impactul acestuia asupra preţurilor la alimente, este posibil ca subvenţiile

guvernamentale şi alte măsuri bugetare menite să sprijine producţia sau consumul de

biocombustibili ar putea fi subiectul unor reduceri graduale.[6]

BIBLIOGRAFIA

1. Anna Greve, Lorenzo Barbanti, Simone Fazio – Biocombustibilii. O soluţie

controversată privind accesul la energie, Editura G.V.C;

2. Sână Sonia, Carmen Socaciu, Simion Scridon – Inventarierea celor Patru Generaţii de

biocombustibili, 2011, Ed. ProEnvironment, 147-150;

3. UN Report; Sustainable Bioenergy: A Framework for Decision Makers; April 2007

4. Review of EU Biofuels Directive; Public consultation exercise; April- July 2006 

5. Chisti Y; Biodiesel from Microalgae; Biotechnology Advances 25 (2007) 294–306

6.  Schmetz E, Ackiewicz M, Tomlinson G, White C, Gray D; Increasing Security and

Reducing Carbon Emissions of the U.S. Transportation Sector:  A Transformational

Role for Coal with Biomass; National Energy Technology Laboratory

7. Simona Penciu, Centrul Român pentru Promovarea Comerţului şi Investiţiilor Străine

(CRPCIS), OECD-FAO Agricultural Outlook 2011 – 2020;

8. ***, http://www.biocombustibil-tm.ro/pdf/Rezultate%20finale.pdf

9. Adriana Gog, Marius Roman, Cecilia Roman, Mircea Chintoanu, Gabriela Pitl, şi alţi-

Tehnologii de obţinere biocombustibili, INCDO-INOE 2000 Institutul de cercetări

pentru instrumentaţie analitică ICIA Cluj – Napoca;