Impactul asupra mediului generat de arderea combustibililor fosili ne obligă să luăm în calcul alte surse de producere a căldurii. Biomasa este o sursă de energie regenerabilă și presupune arderea paielor, deșeurilor lemnoase sau vegetale din gospodărie.
Doar cu câteva decenii în urmă, paiele au fost considerate ca și un reziduu problematic, de care fermierii doreau să scape cât mai repede posibil. Paiele care nu se foloseau la hrănirea animalelor sau ca și strat de așezat sub ele, de obicei se ardeau pe câmp după recoltare.
Danemarca - studiu de caz
În anul 1991, arderea pe câmp a vegetației a fost interzisă și de atunci s-au căutat modalități de folosire a paielor cu scop energetic. Datorită politicilor bine definite și a dezvoltării tehnologice, Danemarca a devenit lider global în utilizarea paielor în scop energetic. Paiele contribuie cu 2% la producerea de energie pentru consumatorii din Danemarca în total și cu circa 10% la producția de energie regenerabilă. În acest moment paiele sunt folosite, în primul rând, ca și combustibil la centrale individuale la ferme, ca și centrale termice în districte, și în centrale mari electrice și de cogenerare. Pe viitor, odată cu maturarea și eficientizarea costurilor tehnologice, paiele ar putea fi folosite și la producerea de combustibil lichid bio și a gazelor regenerabile ca și precum materie primă pentru diferite produse și materiale bio.
Cantitatea de dioxid de carbon emisă prin arderea lemnului sau peleților de lemn este cea absorbită de plantă în timpul creșterii, rezultând un bilanț nul de carbon. Procesul este sustenabil dacă se cultivă alte plante în locul celor exploatate. Economiile de emisii de CO2 sunt semnificative – până la 12 tone pe an – atunci când un cazan pe biomasă înlocuiește un sistem de încălzire cu cărbune.
Deși sursele biologice vor juca un rol semnificativ în viitorul energiei există o dezbatere privind modul în care ar trebui implementate. Atunci când biomasa este extrasă din resturi agricole, se poate dovedi o parte importantă a gestionării deșeurilor, ajutându-ne să ne apropiem mai mult de principiile unei „economii circulare”. Analizarea întregului lanț de aprovizionare și adoptarea unei perspective pe termen lung va fi crucială pentru a ne asigura că biomasa este o opțiune cât mai durabilă posibil.
Paiele drept combustibil
Paiul conține în mod normal 14-20% apă, care se vaporizează în timpul arderii. Substanța uscată este formată din aproximativ 50% carbon, 6% hidrogen, 42% oxigen, precum și cantități mici de azot, sulf, siliciu, alcalin, clorură și altele.
Când paiele sunt utilizate ca și combustibili, conținutul de apă nu trebuie să depășească 20%. Dacă conținutul de apă este mai mare, există riscul ca baloții de paie să devină prea duri și compacte. În același timp, un conținut ridicat de apă crește riscul de condens și coroziune. Prezența clorului și a alcalinilor în gazele de ardere pot cauza probleme la ardere, ducând la dezvoltarea clorurii de sodiu și a clorurii de potasiu, care sunt extrem de agresive și provoacă coroziune în cazane și țevi - în special la temperaturi ridicate. Scopul este de a folosi paiele cu un conținut scăzut de materii nocive, iar aici vremea joacă un rol semnificativ.
Paiele, care a fost expuse la o mulțime de ploi după maturare - mai ales după recoltare, și au devenit gri („ s-au degradat”), sunt mult mai puțin agresive decât paiele galbene, care a fost expuse doar unei cantități limitate de precipitații. Conținutul de cenușă poate varia între 2-10%, media fiind de 4-5%. Paiele din culturile care au fost cultivate pe sol nisipos au în mod normal cel mai scăzut conținut de cenușă, în timp ce paiele din solurile de câmpie de obicei au cel mai mare conținut de cenușă.Valoarea calorică este cea mai mare cu cel mai mic conținut de cenușă, deci poate fi un avantaj folosirea paielor din soluri nisipoase pentru încălzire. Cenușa de la arderea paielor poate deveni deja vâscoasă la 600 de grade, iar acest lucru este important pentru centralele electrice, unde este prevăzută o temperatură ridicată a aburului pentru a obține o eficiență electrică ridicată.
Presarea biomasei în baloți, datorită compactării materiilor prime de peste 4 ori (de la 40 kg/m3 până la peste 160 kg/m3), contribuie la creșterea eficienței logistice și reduce suprafața necesară de depozitare.
Agricultura nu numai că furnizează materie primă sectorului energetic, ci trebuie să producă și alimente și furaje și în același timp să și protejeze natura, biodiversitatea, levigarea nutrienților și bazinul de carbon al solului. Dacă fermierul alege să are paiele în sol, atunci acest lucru va crește conținutul de carbon al solului, ceea ce are un impact asupra înregistrărilor climatice.
Efectele îndepărtării paielor
La stațiile de cercetare daneze Askov, St. Jyndevad și Rønhave, s-au făcut încercări în care, timp de decenii, paiele a fost îndepărtat din parcele pentru a compara conținutul de carbon al acelor parcele cu parcele în care paiul a fost încorporat în sol în aceeași perioadă. Rezultatele arată că conținutul de carbon al solului în cei 20 de centimetri superiori este mai mare atunci când paiele au fost încorporate timp de 36 de ani (Rønhave) și 29 de ani (Askov și St. Jyndevad). Este clar că există un efect semnificativ al îndepărtării continue a paielor asupra calității solului, dar nu este clar încă în rândul fermierilor și agronomilor danezi, ce efecte ar putea avea asupra randamentului potențial pentru zonele în cauză.
Pe termen scurt, randamentul nu este afectat atâta timp cât substanțele nutritive sunt aplicate prin intermediul îngrășământului luat din grajd / nămol și / sau îngrășământ mineral. Mulți tind să creadă că cea mai mare provocare este un risc mai mare de eroziune și alte daune structurale cauzate de un conținut mai mic de humus în sol. În orice caz, s-a demonstrat că efectul de carbon al îndepărtării paielor poate fi compensat prin utilizarea culturilor de acoperire după recoltare, care sunt apoi încorporate în sol.
Aplicații ale cenușii din arderea paielor
Cenușa din arderea paielor conține mai mulți nutrienți valoroși - fosfor și potasiu în special - și, prin urmare, este recomandabilă recircularea cenușii în solul agricol. Cu toate acestea, există și câteva substanțe dificil de gestionat - în principal metale grele - în cenușă. In consecință, este important să se urmărească cantitatea de cenușă recirculată într-o anumită zonă.
Utilizarea reziduurilor de porumb - studiu al Asociației pentru Bioenergie din Ucraina
Seria de ghiduri AgroBioHeat urmăresc să ofere cunoștințe sistematice despre utilizarea diferitelor tipuri de resurse de biomasă agricolă. În special, se concentrează asupra reziduurilor provenite din cultivarea porumbului (cunoscute și sub numele de coceni) și asupra modului în care această resursă de biomasă – produsă anual în cantități mari și în prezent sub-utilizată – poate fi recoltată și utilizată în mod eficient pentru producerea bioenergiei. Biomasa agricolă este o resursă semnificativă, prea puțin exploatată și indigenă, care poate sprijini atingerea obiectivelor europene privind energia și clima, promovând în același timp dezvoltarea rurală și economia circulară. Proiectul a primit finanțare din programul de cercetare și inovare Orizont 2020 al Uniunii Europene în baza Acordului de Grant nr. 818369.
Recolta principală a cultivării porumbului sunt boabele, dar planta de porumb este formată din diferite părți subterane și supraterane care formează deșeuri după recoltarea boabelor. De exemplu, pot fi utilizațe ca materie primă pentru producerea de biocombustibili solizi, biogaz și biocombustibili lichizi de a doua generație.
Este important de menționat că pentru porumb, raportul reziduu/cereale este semnificativ mai mare decât pentru alte cereale. Conform datelor experimentale, formarea de biomasă în frunzele și tulpinile de porumb poate fi ridicată chiar și în condiții de stres hidric moderat, ceea ce face din această cultură o sursă importantă de biomasă reziduală agricolă.
Raportul dintre randamentul reziduurilor de porumb și randamentul cerealelor depinde de mulți factori, în primul rând de varietatea plantelor, practicile agricole, climă și condițiile câmpului.
Compoziția elementară a resturilor de porumb este aproape aceeași cu cea a paielor culturilor de cereale păioase, deci au o putere calorică comparabilă. Proprietățile paielor depind puternic de locul de cultivare, timpul de recoltare și vreme, sol și îngrășăminte.
Conținutul de cenușă a reziduurilor de porumb este un factor de calitate semnificativ pentru producția ulterioară de biocombustibili. Acesta depinde de tipul de tehnologie de recoltare, deoarece cantitatea de cenușă crește atunci când biomasa are contact cu solul. Din acest motiv, există două tipuri de cenușă: structurală și nestructurală. Cenușa structurală constă din substanțe anorganice conținute în biomasa vegetală. Conținutul obișnuit de cenușă structurală a coceniilor de porumb este de 3,5%. Cenușa nestructurală este o substanță anorganică (în cea mai mare parte sol) care intră în paie în timpul recoltării, în special la formarea benzilor și la balotare. Conținutul total de cenușă tipic pentru treceri multiple ale mașinilor agricole la recoltare este de 8-10%.
Comportamentul la topirea cenușii
Unele mostre de reziduuri de porumb sunt mai apropiate de biomasa lemnoasă, ceea ce oferă condiții mai bune de ardere în comparație cu paiele culturilor de cereale păioase. Pentru comparație: temperatura de deformare a cenușii pentru lemn este de aproximativ 1270 °C, adică 790-1200 °C pentru știuleții de porumb și 820-1160 °C pentru tulpinile de porumb.
În plus, tulpinile de porumb conțin mai puțin clor (0,13%) în comparație cu paiele proaspete (,,galbene") ale culturilor de cereale păioase (0,75%). Este un factor pozitiv pentru reziduurile de porumb ca și combustibil, deoarece compușii de clor provoacă coroziunea elementelor din oțel ale echipamentelor energetice. Conținutul de umiditate are o influență crucială asupra puterii calorice a deșeurilor de porumb.
România
Piața românească de biomasă agricolă este încă subdezvoltată, ceea ce reprezintă o barieră în fața înființării de noi proiecte energetice. Utilizatorii de agro-biomasă sau potențialii utilizatori sunt sceptici în a investi în proiecte de bioenergie, deoarece lanțurile permanente de agrobiomasă nu sunt bine dezvoltate la nivel regional și local în România. Biomasa agricolă este utilizată în principal pentru producerea de căldură în sere, în diferite ferme sau gospodării private din mediul rural din România.
În România nu există o subvenție pentru proiectele de obținere a energiei din biomasă. Există însă programe cu finanțare publică pentru a sprijini investițiile inițiale precum „POIM OS 6.1. Creșterea producției de energie din resurse regenerabile mai puțin exploatate (biomasă, biogaz, geotermal), sectorul distribuției” unde entitățile/beneficiarii eligibili au fost: întreprinderile mari, autoritățile publice locale, IMM-uri, autorități administrative autonome, asociație de dezvoltare intercomunitară (ADI).
O sursă similară de finanțare au fost „Eficiență Energetică pentru instituții publice” și „Locuințele eficiente din punct de vedere energetic” lansate în 2021 de Ministerul Mediului, Pădurilor și Apelor. Un obiectiv de utilizare a surselor regenerabile de energie (SRE) în producția de căldură este stabilit în Strategia Energetică a României 2016-2030, adoptată în 2016. Potrivit acestui document, la nivel național, consumul final de energie în sectorul rezidențial și terțiar în totalitate cuprinde 45% din consumul total de energie și aproximativ 40% din emisiile de gaze cu efect de seră.
Ca regulă generală, conform analizei științifice, în România până la 40% din paiele disponibile pot fi recoltate din câmp pentru producerea de energie, fără a deteriora calitatea solului. Acest fapt important este respectat în toate proiectele și planurile de afaceri conexe. Producția de energie din biomasă este cea mai veche și cea mai simplă metodă de satisfacere a nevoilor energetice.
Această sursă este considerată una dintre soluțiile pentru problemele legate de reducerea emisiilor nocive pentru mediu în timpul producției de energie. Având în vedere că utilizarea potențialului acesteia este scăzut, cantitatea de energie potențială, care poate fi obținută din această materie primă, este considerabilă. Media de tone de cereale obținute între 2016 și 2020 este de 25814700.4 tone (4,81 tone/ha), la nivel național. La un ha de cereale boabe se obține, în medie 7.34 tone paie. Luând în considerare că o parte de 40% pot fi valorificate energetic, rezultă o producție medie de 275.704 PJ/an.
Subvenționarea culturilor energetice
Conform Ordinului Ministrului Agriculturii și dezvoltării rurale nr. 304 din 2017, și Ordinul nr. 251 din 27 septembrie 2021 pentru modificarea anexei la Ordinul ministrului agriculturii și dezvoltării rurale nr 304/2017, cultura salciei energetică și plopul sunt eliminate din lista de culturi energetice non-agricole. Iar următoarele culturi sunt pe lista culturi energetice non-agricole:
1. Iarba-elefantului (Genul botanic – Miscanthus)
2. Stuf gigant (Genul botanic – Arundo)
3. Arborele prințesei (Genul botanic – Paulownia)
4. Arbust de petrol (Genul botanic – Jatropha)
5. Iarba energetică (Genul botanic – Elytrigia)
6. Laptele câinelui (Genul botanic – Euphorbia)
Scopul utilizării salciei energetice ca sursă de biomasă pentru producerea de energie este acela de a înlocui pe cât posibil combustibilii convenționali și de a reduce nivelul de poluare al atmosferei cu gaze cu efect de seră.
Pe lângă faptul că reprezintă o sursă importantă pentru producerea de energie electrică şi termică, salcia datorită caracteristicilor sale, are posibilitatea de a epura apele de la staţiile de epurare limitând astfel riscul de poluare a apelor freatice. De asemenea, ea poate soluționa problema depozitării nămolurilor de la staţiile de epurare, ce pot fi utilizate cu succes în fertilizarea acestor plantaţii.
Salcia poate fi cultivată pe terenuri poluate cu metale grele sau cu conţinut ridicat de nitriţi sau nitraţi. Un avantaj important al acestei culturi agricole este că valorifică cu succes solurile improprii altor culturi agricole, nefiind un pericol pentru plantele alimentare. Se poate cultiva pe solurile cu risc de erodare, ajutând la prevenirea acestui efect şi pe solurile cu pânza freatică ridicată.
Soiurile aflate în cultură nu sunt invazive, nu se pot reproduce natural şi nu se pot extinde necontrolat. Cultura de salcie se desființează foarte uşor şi nu degradează solul.
Plantaţiile de salcie cu scop energetic îmbunătăţesc aspectul estetic al zonei şi biodiversitatea.
Având în vedere că necesarul de biomasă este în continuă creştere, plantaţiile de salcie energetică reprezintă o rezolvare în ceea ce priveşte defrişarea intensivă a pădurilor.
Având în vedere faptul că localitățile rurale din România dispun de o cantitate considerabilă de deșeuri verzi, fiecare are potențialul să-și producă materia primă pentru încălzire și să devină auto-sustenabilă din punct de vedere energetic.
Concomitent cu producerea biomasei la nivel local, pot fi pornite investiții în sisteme de încălzire de capacități mici, până la 1 MW. Concepția este valabilă pentru toate localitățile din zonelor rurale.
Conceptul 1 sat 1 MW prevede următoarele:
- identificarea surselor de deșeuri lemnoase și a reziduurilor agricole la nivel de localitate (deșeuri rezultate în urma tăierilor de copaci din păduri, deșeuri lemnoase din pășuni, zone verzi, livezi, grădini, parcuri, gospodarii, lucrări agricole etc.),
- colectarea biomasei lemnoase cu ajutorul persoanelor din grupurile vulnerabile (aspect social),
- cultivarea de salcie energetică cu scopul obținerii de biomasa lemnoasă, segmentul logisticii (tocare, depozitare, aprovizionare),
- instalarea și punerea în funcțiune a unei centrale termice cu cazan pe biomasa și racordarea utilizatorilor la acest sistem (în special clădiri publice).
- automatizarea sistemului de alimentare, instalarea sistem de control de la distanță
Soluții tehnice pentru implementarea conceptului ”1 sat 1 MW”:
- Sisteme individuale de încălzire bazate pe deșeuri lemnoase/biocombustibil la fiecare consumator final (clădiri individuale).
- Sistem de termoficare la scară mică pe bază de biomasă (care conectează mai multe clădiri situate în proximitate) de exemplu în centrul localităților, etc.
Sperăm că v-au fost de folos aceste informații, mai ales dacă locuiți în medium rural și căutați o opțiune sustenabilă de încălzire.
Surse bibliografice:
- broșura AgroBioHeat, D7.6, Energie din paie
- broșura AgrobioHeat D5.2, Planul național strategic pentru România
- broșura AgrobioHeat Reziduuri de porumb pentru producerea energiei