BIOCOMBUSTIBILII – O NECESITATE A ROMANIEI CA STAT MEMBRU AL UE
Nicolae BURNETE, Profesor univ. dr. ing., Universitatea Tehnica Cluj-Napoca
Alexandru NAGHIU, Profesor univ. dr. ing., Universitatea de Stiinţe Agricole şi Medicină Veterinară din Cluj-Napoca
Bogdan VARGA, Asist. univ. drd. ing., Universitatea Tehnica Cluj-Napoca
ABSTRACT
Cartea Albă a Comisiei UE admite că se va ajunge până în 2010 la o creştere a semnificativă a emisiilor de CO2, acestea însumând aproximativ 1113 milioane de tone, principalul responsabil fiind transportul rutier care determină 84 % din totalul emisiilor de CO2 provenite din transporturi. Ca atare, din punct de vedere ecologic Cartea Albă militează pentru reducerea dependenţei de petrol în sectorul transporturilor (care este actualmente de aproximativ 98 %) prin folosirea combustibililor alternativi cum ar fi biocombustibilii. Utilizarea pe o scară mai mare a biocombustibililor în transporturi constituie doar o parte din pachetul de măsuri ce trebuie adoptate pentru a se realiza reducerea emisiilor de CO2. Creşterea utilizării biocombustibililor în transport, fără a exclude alţi posibili combustibili alternativi pentru industria automobilelor, este unul dintre mijloacele prin care se poate reduce dependenţa de importul de energie, se poate influenţa piaţa combustibililor pentru transporturi şi se poate asigura securitatea în furnizarea de energie pe termen mediu şi lung.
în România, s-au dezvoltat în ultimii ani tot mai multe cercetări (la Cluj-Napoca, Braşov, Timişoara, Iaşi, Bucureşti) în ceea ce priveşte utilizarea combustibililor proveniţi din uleiuri vegetale ca şi combustibili la motoarele Diesel. Centrul de cercetare de la Cluj-Napoca a obţinut o serie de rezultate semnificative, punând în circulaţie şi mijloace de transport în comun alimentate cu biodiesel.
Cu dezideratul necesităţii dezvoltării unei strategii naţionale în ceea ce priveşte biocombustibilii pentru piaţa Românească şi Europeană de profil, au pornit în minte iniţatorii Conferinţei internaţionale BIOCOMB 2006 dedicate producţiei şi utilizării biocombustibililor, conferinţă care a avut loc la Cluj-Napoca în perioada 10-11 noiembrie 2006, în organizarea Consorţiului BIOCOMB alcătuit din:
- Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca;
- Universitatea de Stiinţe Agricole şi Medicină Veterinară din Cluj-Napoca ;
- Institutul de Cercetari şi Instrumentaţie Analitică din Cluj-Napoca.
Scurt istoric al Biocombustibililor în România
- 1984: INMA realizează cercetări privind utilizarea pentru motoarele Diesel a uleiurilor vegetale, acoolului din topinambur şi a biogazului lichefiat;
- 1995: USAMV Cluj-Napoca – ing. Al. Naghiu sub conducerea prof. N. Băţaga (UTC-N) realizează cercetări privind utilizarea biocombustibililor în cazul motoarelor cu injecţie peliculară.
- 2000: ICIA – ing. M. Chintoanu iniţiază cercetări privind tehnologia de producere a biocombustibililor de tip biodiesel.
- 2000: UTC-N – prof. N. Burnete, prof. N. Cordos iniţiază cercetările privind utilizarea diverselor uleiuri vegetale ca şi combustibili în cazul motoarelor Diesel.
- 2001: prof. N. Cordos, prof. N. Burnete, ing. M. Chintoanu testează la motoare Diesel amestecuri de uleiuri vegetale cu motorină.
- 2003: prof. N. Burnete, prof. Al. Naghiu, ing. M. Chintoanu realizează cercetări cu metilester la motoare Diesel.
- 2006: prof. N. Burnete, prof. Al. Naghiu, ing. M. Chintoanu pun în circulaţie (în Cluj-Napoca) pentru prima data în România un autobus alimentat cu biodiesel.
Biocombustibili şi depoluare
La nivel planetar, se “consumă” anual prin fotosinteză cca. 770×109 t de CO2, în timp ce sunt emise în atmosferă cca. 797×109 t/an (Klass, 1998). Cantitatea totală de CO2 din atmosfera terestră este de 2567×109 t. Astfel, se poate vedea că fotosinteza utilizează doar cca. 30 % din cantitatea de CO2 şi deci că emisiile de CO2 exced consumul prin fotosinteză cu 27×109 t în fiecare an (cca. 1 %), fapt ce conduce implicit (dacă nu se modifică nivelul absorbţiei) la dublarea concentraţiei de CO2 la fiecare 100 de ani.
Aceasta are ca rezultat producerea de schimbări climatice majore prin mărirea temperaturii cu 2…3 ï‚°C concomitent cu creşterea interceptării radiaţiilor cu lungime de undă mare de pe suprafaţa solului de către moleculele de CO2 din atmosferă.
Luând în calcul cele aproximativ 3,8 milioane de autovehicule care consumă anual cca. 3,2 Mtep carburanţi rezultă pentru ţara noastră un necesar anual de cca. 180 ktep de biocarburanţi.
In acest moment, în ţara noastră utilizarea combustibililor de tip bio la motoarele autovehiculelor rutiere este cu mult sub cerinţele impuse de asigurarea unui mediu mai curat.
Utilizarea biomotorinelor pentru alimentarea motoarelor diesel
Chiar dacă părintele motoarelor cu aprindere prin comprimare (Rudolf Diesel) a preconizat încă de la început posibilitatea funcţionării acestora cu combustibili de origine vegetală (prezentând în acest sens la Expoziţia Mondială de la Paris din 1900, un motor cu aprindere prin comprimare ce funcţiona cu ulei de arahide), totuşi, utilizarea combustibililor proveniţi din uleiuri vegetale la motoarele cu ardere internă a devenit prioritară abia în ultimii ani, şi aceasta din cauze ce ţin de reducerea rezervelor de combustibili de origine petrolieră şi mai ales din necesitatea reducerii poluării mediului.
Degradarea continuă a mediului înconjurător precum şi schimbările climatice survenite în ultimele decenii au conştientizat omenirea asupra faptului că reducerea poluării mediului trebuie să fie o prioritate mondială.
România este parte la Convenţia-cadru a Naţiunilor Unite asupra schimbărilor climatice, ratificată prin Legea nr. 24/1994 şi la Protocolul de la Kyoto la această Convenţie, protocol ratificat prin Legea nr. 3/2001. In cadrul Convenţiei, ţara noastră este înscrisă în Anexa I, alături de alte ţări dezvoltate şi cu economie în tranziţie.
Aceste două instrumente juridice internaţionale permit statelor cuprinse în Anexa I a Convenţiei-cadru să aplice în comun prevederile referitoare la reducerea emisiilor de gaze. In baza Protocolului de la Kyoto, intrat în vigoare la 16 februarie 2005, România urmează să reducă emisiile de gaze cu efect de seră cu 8% în prima perioadă de angajament (2008-2012) faţă de anul de bază 1989.
Obiectivele cunoscute în domeniu arată clar tendinţa de înlocuire în timp a combustibililor clasici cu alţii noi. Astfel, Directiva EC/2003/30 a Consiliului şi Parlamentului European din 8 mai 2003 prevede obligaţia asigurării unui procent minim de biocombustibili şi alţi combustibili regenerabili, stabilind următoarele valori de referinţă:
2%, calculat pe baza conţinutului energetic al tuturor combustibililor pe bază de petrol şi diesel aflaţi pe piaţa pentru a fi folositi în transporturi la data de 31 decembrie 2005;
5,75%, calculat pe baza conţinutului energetic al tuturor combustibililor pe baza de petrol şi diesel puşi pe piaţă pentru a fi folosiţi în transporturi la data de 31 decembrie 2010.
Cartea Verde a Comisiei intitulată “Spre o strategie europeană pentru securitatea alimentării cu energie”, stabileşte ca obiectiv înlocuirea până în anul 2020 a combustibililor convenţionali în proportie de 20% cu combustibili alternativi în sectorul transportului stradal.
Noile tipuri de combustibili trebuie să se alinieze la standardele tehnice deja recunoscute şi să se impună pe piaţă. Aceste standarde constituie de asemenea baza în stabilirea cerinţelor referitoare la emisiile de noxe şi la monitorizarea lor.
In aceste condiţii, în cazul ţării noastre problematica biodieselului reprezintă o noutate absolută, lucru valabil şi pentru majoritatea ţărilor din Europa Centrală şi de Est.
Combustibilul Diesel obţinut pe bază de uleiuri vegetale este un combustibil curat, biodegradabil şi reînoibil, iar tehnologia de obţinere a acestuia este una curată.
Utilizarea combustibililor proveniţi din uleiuri vegetale este posibilă în principal în următoarele variante: ulei vegetal pur, ulei vegetal în amestec cu motorină, conversia uleiurilor vegetale în hidrocarburi, metilester provenit prin esterificarea uleiului vegetal, amestec de metilester cu motorină.
Fiind biodegradabil, biocombustibilul se va degrada rapid în resturi organice naturale reducând aproape toate formele de poluare a aerului.
In fiecare an, plantele din care se extrag uleiuri pentru realizarea biodieselului preiau CO2 din atmosferă pentru a se dezvolta. Uleiul folosit pentru biodiesel se arde în motor, iar materialele rămase din plante se descompun.
Astfel, carbonul din combustibil şi din materialul plantei este restituit în atmosferă sub formă de CO2. Acest ciclu al carbonului (atmosferă – materialul plantei – atmosferă) nu duce la acumularea de CO2 în atmosferă. De aceea biocombustibilul nu contribuie la schimbările climaterice globale.
Principalele materii prime folosite, pe plan mondial, la producerea biodieselului sunt: rapiţa (84%), floarea soarelui (13%), soia (1%), palmier (1%), altele (1%).
Utilizarea biocombustibililor în transport, fără a exclude alţi posibili combustibili alternativi pentru industria auto, este unul din mijloacele prin care se poate reduce dependenţa de importul de energie, se poate influenţa piaţa combustibililor pentru transporturi şi se poate asigura independenţa în problema energiei pe termen mediu şi lung.
Dezvoltarea tehnologică a adus progrese în dezvoltarea de motoare cu ardere internă cu emisii reduse prin utilizarea combustibililor alternativi, majoritatea vehiculelor aflate în circulaţie putând utiliza (într-o primă fază) mici cantităţi de amestec de biocombustibil cu motorină fără nici o problemă.
Unele ţări folosesc deja biocombustibilul în stare pură sau în amestec (Germania, Franţa, Anglia, Suedia, etc.). Transportul urban este un exemplu grăitor în acest sens. In o serie de oraşe cum ar fi: Paris, Florenţa, Stockholm, circulă deja autobuze care utilizează drept combustibil biodiesel, gaze naturale sau motorina fără sulf.
Se preconizează că în viitorul apropiat şi vehiculele utilitare vor utiliza energii alternative.
Stadiul cercetărilor în cadrul Consorţiului BIOCOMB
Studiile şi cercetările Consorţiului BIOCOMB s-au desfăşurat în cadrul unui sistem integrat, de la producerea materiei prime, la obţinerea biocombustibililor şi până la utilizarea acestora în motoarele cu ardere internă.
Eficienţa economică a producţiei de biocombustibili este influenţat? major de nivelul producţiei agricole ce furnizează materia primă. Cercetările efectuate la Universitatea de Stiinţe Agricole şi Medicină Veterinară din Cluj-Napoca au stabilit tehnologiile optime de cultură a plantelor energetice (rapiţă, soia, floarea-soarelui), la nivelul potenţialului maxim oferit de condiţiile pedoclimatice ale ţării noastre.
Producerea şi utilizarea biocombustibililor din uleiuri vegetale se realizează în cadrul unui sistem complex, în cadrul căruia, pe lângă biodiesel se obţin şi unele subproduse (turte – utilizabile în hrana animalelor – şi glicerină – necesară în industria chimică) care au o însemnată pondere în stabilirea eficienţei economice a utilizării noului combustibil.
In România, Catedra de Autovehicule Rutiere şi Maşini Agricole din cadrul Universităţii Tehnice din Cluj-Napoca este cea care a iniţiat în noile condiţii (în anul 2000) şi dezvoltat cercetările în privinţa utilizării combustibililor de origine vegetală la motoarele Diesel.
In acest sens, în Laboratorul de Motoare cu ardere internă şi în Laboratorul de Biocombustibili al Universităţii Tehnice (înfiinţat, tocmai pentru dezvoltarea cercetărilor în domeniul noilor combustibili, în anul 2002), s-au efectuat şi se efectuează mai multe cercetări privind:
- posibilităţile de utilizare a uleiurilor vegetale (rapiţă, floarea soarelui, soia), a metilesterilor, a amestecurilor şi a uleiurilor uzate ca şi combustibili pentru motoarele Diesel;
- influenţa acestor combustibili asupra:
- performanţelor motorului (Pe, Me, Ch, ce);
- emisiilor poluante ale motorului;
- durabilităţii motorului;
- influenţele unor factori asupra proprietăţilor biocombustibililor;
- aditivarea biodieselului.
Pentru a evalua posibilitatea de utilizare a uleiurilor vegetale şi a derivaţilor lor în calitate de substituenţi ai motorinei, s-au luat în considerare următoarele caracteristici principale: intervalul de distilare, viscozitatea, densitatea, cifra cetanică, puterea calorică, comportarea la rece, stabilitatea în cursul stocării.
Intervalul de distilare condiţionează posibilitatea de vaporizare a combustibilului şi arderea completă a acestuia în motor. Viscozitatea combustibilului influenţează alimentarea motorului şi pulverizarea acestuia în camera de ardere. Cifra cetanică exprimă calităţile de autoaprindere ale combustibililor în camera de ardere. Puterea calorică permite să se prevadă puterea maximă ce se poate dezvolta de către un motor, pentru un anumit debit al pompei de injecţie.
Analiza comparativă, pe elemente chimice arată avantajul utilizării biocombustibilului provenit din uleiul de rapiţă faţă de combustibilul clasic.
Biodieselul este puţin mai sărac decât motorina din punct de vedere al conţinutului de carbon (-8,98 %) ?i al conţinutului de hidrogen (-0,79 %). Este de remarcat faptul că, în structura biodieselului este prezent oxigenul (cca. 10%) – care favorizează procesul de ardere din motor. De asemenea, se remarcă lipsa totală a sulfului – ceea ce conduce la reducerea poluării chimice (nu contribuie la emisiile de SO2).
Din compararea carcteristicilor fizico-chimice ale combustibilului provenit din ulei vegetal cu cele ale combustibilului clasic (motorina) se remarcă încă o dată calităţile acestui nou combustibil.
Tabelul 2. Caracteristicile fizico-chimice ale combustibililor proveniţi din ulei vegetal şi ale motorinei
| Caracteristicile fizico-chimice |
Ulei de rapiţă |
Biodiesel |
Motorină |
| Densitatea la 20 ºC [kg/dm3] |
0,92 |
0,88 |
0,84 |
| Viscozitatea cinematică la 20 ï‚°C [mm2/s] |
74 |
6,30 |
4…6 |
| Punctul de inflamabilitate [ºC] |
317 |
184 |
80 |
| Cifra cetanică |
40 |
51 |
50 |
| Puterea calorică [MJ/kg] |
37,6 |
37 |
41,8 |
Pe baza acestor caracteristici, utilizarea uleiurilor vegetale propriu-zise ca şi combustibili este posibilă prin realizarea anumitor modificări constructive ale motorului (presiune de injecţie mai mare, utilizarea unor sisteme de încălzire în circuitul de alimentare, utilizarea unui distribuitor şi a unui rezervor suplimentar de combustibil pentru pornirea pe motorină, funcţionarea cu noul combustibil şi oprirea pe motorină, înlocuirea garniturilor pe bază de cauciuc din sistemul de alimentare etc.).
In schimb, utilizarea monoesterilor (biodiesel) obţinuţi prin transesterificarea uleiurilor vegetale cu alcooli inferiori (metanol, etanol, etc.) nu implică modificări constructive ale motorului.
Ţinând cont de toate aceste considerente, la ICIA Cluj-Napoca, s-au elaborat mai multe re?ete de combustibil atât pentru uleiurile vegetale şi pentru amestecurile lor cât şi pentru metilesteri şi amestecuri ale acestora cu motorina – reţete care apoi au fost testate pe motoare în cadrul Laboratorului de Biocombustibili al UTC-N.
In cadrul experimentelor de laborator efectuate au fost stabilite condiţiile şi etapele proceselor tehnologice de fabricare şi purificare ale biocombustibilului tip diesel obţinut din ulei de rapiţă nedegumat, respectiv degumat. Rezultatele obţinute au indicat faptul că soluţiile tehnologice alese sunt viabile şi permit elaborarea tehnologiilor pilot de obţinere şi purificare a biocombustibilului pentru instalaţia pilot.
Cercetările experimentale inteprinse s-au realizat conform normelor Europene actuale pe standuri de cercetare moderne, utilizând echipamente de achiziţie a datelor performante, determinările caracteristicilor motoarelor şi a emisiilor poluante realizându-se conform standardelor în vigoare.
In cadrul activităţii de cercetare s-a ajuns şi în faza de punere în circulaţie pe drumurile publice a unui autobuz alimentat cu biodiesel provenit din ulei de rapiţă, iar mai apoi şi la monitorizarea mai multor autobuze în funcţionare.
O realizare deosebit de utilă în desfăşurarea cu succes a cercetărilor a fost achiziţionarea unui laborator mobil de ultimă generaţie (echipat cu echipamente de diagnoză şi echipamente destinate determinării poluări chimice şi sonore produse de către autovehiculele ce se deplasează pe drumurile publice) de către Catedra de Autovehicule Rutiere şi Maşini Agricole din cadrul Universităţii Tehnice din Cluj-Napoca.
Cercetarea experimentală în cadrul Laboratorului de Biocombustibili este favorizată şi de punerea la punct a unui monocilindru pentru ridicarea diagramei indicate ceea ce permite o analiză comparativă exactă şi rapidă.
Incercările experimentale efectuate (comparativ cu motorină şi cu biocombustibil – obţinut prin reacţia de transesterificare a uleiului vegetal de rapiţă) pe un motor Diesel indigen, au scos în evidenţă buna funcţionare a motorului cu acest combustibil, fără ca motorul să fi suferit modificări constructive.
Analiza influenţei utilizării biocombustibilului asupra stării tehnice a motorului (după 750 de ore de funcţionare) scot în evidenţă faptul că acest combustibil nu afectează starea tehnică a mecanismului motor.
O altă direcţie importantă de cercetare a fost cea legată de impactul utilizării biocombustibililor asupra mediului. în acest sens la Catedra de Mecanizare a Universităţii de Stiinţe Agricole şi Medicină Veterinară din Cluj-Napoca s-a determinat gradul de biodegradabilitate a biocombustibililor şi s-au demarat cercetările privind circuitul carbonului.
Rezultatele experimentale ob?inute dovedesc pe deplin calit??ile combustibililor proveni?i din uleiuri vegetale care, pe viitor promit s? fie un concurent serios al combustibilului Diesel clasic.
Nivelul activităţii de cercetare la care au ajuns membrii Consor?iului BIOCOMB, a permis elaborarea unei propuneri de standard avand ca scop asigurarea condiţiilor de calitate noilor combustibili şi crearea un cadru propice conectarii producţiei Româneşti din domeniu la piaţa Europeană. Pe lânga definirea unei anumite terminologii specifice, acest standard defineşte şi valorile limită pentru parametrii combustililor de tip biodiesel.
Dimensiunea internaţională a activităţii Consorţiului BIOCOMB
Actualmente cercetarea de înalt nivel ştiinţific nu se poate face decît în cadrul unor reţele de cercetare internaţionale. Ca atare Consorţiul BIOCOMB a acordat o mare atenţie dezvoltării unor parteneriate cu instituţii de prestigiu de Europa: Universita degli studi di Bologna, Universitat BOKU Viena, Universitat Hohenheim Stuttgart, Universidad Leon, Technische Universität München, etc.
Totodată reprezentanţi ai Consorţiului au participat la reuniunile Europene majore în domeniul cercetării legate de biocombustibili.
Bibliografie
- Bataga, N., Burnete, N., s.a., Combustibili, lubrifianti si materiale speciale pentru automobile. Economicitate si poluare, 316 pag., Editura Alma Mater, Cluj-Napoca, 2003, ISBN 973-8397-37-5.
- Burnete, N., s.a., Rapita o provocare pentru fermieri si energeticieni, 222 pag., Editura Sincron, Cluj-Napoca, 2004, ISBN 973-9234-57-7.
- Burnete, N., ş.a., Construcţia şi calculul motoarelor cu ardere internă, Editura Todesco, Cluj-Napoca, 2001, ISBN 973-8198-17-8.
- Burnete, N., ş.a., Research concerning the Diesel engine using vegetal oil as fuel, In vol.: FISITA, World Automotive Congress, Barcelona, Spain, 23-27 may, 2004, Paper Reference Number: F2004V047.
- Naghiu, Al., ş.a., Baza energetică pentru agricultură, Editura Risoprint, Cluj-Napoca, 2003, ISBN 973-656-374-X.
- Naghiu, A., Burnete, N., Renewable energy – a challenge for the agricultural farms, Trakia Journal of Sciences, Vol. 3, No. 2, Bulgaria, 2005, 4 fig., 8 ref. biblio., ISSN 1312-1723.
- Naghiu, Al., Băţaga, N., Maurer, K., Studies upon the possibilities of biofuel use in the case of engines with wall film injection system.ESFR, Pite?ti, 1997
- Naghiu, Al., Burnete, N., Baraldi, G. Studii si cercetari privind dezvoltarea unui sistem integrat de producere si utilizare a combustibililor tip biodiesel in ferme, in: Rev. Agricultura – stiinta si practica, nr. 1-2, 2005
- Naghiu, Al., Burnete, N., Chintoanu, M. S., Bioenergia (carte aflată sub tipar)
Glosar de termeni
- “biocombustibilii” sunt combustibili pentru transport sub formă lichidă sau gazoasă, produşi din biomasă;
- ”biomasa” este partea biodegradabilă din produse, deşeuri şi reziduuri din agricultură (inclusiv substanţe vegetale şi animale), sectorul forestier şi industria aferentă şi parte din deşeurile industriale şi municipale;
- ”alţi combustibili regenerabili” sunt combustibili regenerabili, alţii decât biocombustibilii, care provin din surse de energie regenerabilă ca cele stipulate în Directiva 2001/77/EC(2) şi sunt folosiţi în transporturi;
- ”conţinut de energie” înseamnă puterea calorifică minimă a unui combustibil.
- ”biomotorină” – biocombustibil lichid pentru motoarele cu aprindere prin comprimare
- ”biobenzină” – biocombustibil lichid pentru motoarele cu aprindere prin scânteie
- Produsele listate mai jos pot fi considerate ca biocombustibili:
- ”bioetanolul”: etanol extras din biomasă şi/sau din partea biodegradabilă a deşeurilor, care poate fi folosit ca biocombustibil;
- ”biodiesel”: un metil-ester extras din ulei vegetal sau animal, de calitatea dieselului, care poate fi folosit ca biocombustibil;
- ”biogas”: un combustibil gazos rezultat din biomasă şi/sau din partea biodegradabilă a deşeurilor care poate fi purificat la calitatea gazului pur, care poate fi folosit ca biocombustibil sau gaz de lemn;
- „biometanol”: dimetilester extras din biomasă, pentru a fi folosit ca biocombustibil;
- ”biodimetileter”: dimetilester extras din biomasă, pentru a fi folosit ca biocombustibil;
- ”bio-ETBE (etil-ter?o-butil-ester)”: ETBE este produs pe bază de bioetanol.
- Procentul în volum de bio-ETBE socotit ca biocombustibil este de 47%;
- ”bio-MTBE (metil-terţo-butil-ester)”: un combustibil pe bază de biometanol.
- Procentul în volum de bio-MTBE socotit ca biocombustibil este de 36%;
- ”biocombustibilii sintetici”: hidrocarburi sintetice sau amestecuri de hidrocarburi sintetice care au fost extrase din biomasă;
- ”biohidrogen”: hidrogen extras din biomasă şi/sau din partea biodegradabilă a
- deşeurilor, pentru a fi folosit ca biocombustibil;
- ”uleiul vegetal pur”: ulei produs din plante oleaginoase prin presare, extracţie sau proceduri comparabile, crud sau rafinat, dar nemodificat chimic, atunci când este compatibil cu motoarele la care este folosit şi când este conform cerinţelor normelor privind noxele.
