i

Održive tehnologije Sustainable technologies 4. Obnovljivi energetski resursi

Renewable energy resources Milorad Cakić Univerzitet u Nišu, Tehnološki fakultet u Leskovcu

Vlada Veljković Univerzitet u Nišu, Tehnološki fakultet u Leskovcu

Olivera Stamenković Univerzitet u Nišu, Tehnološki fakultet u Leskovcu

Tempus 158989-Tempus-1-2009-1-BE-Tempus-JPHES Creation of university-enterprise cooperation for education on suistainable technologies

1

In this chapter the renewable energy sources are presented. First part deals with basic concepts related to energy, energy distribution as well as definition of non-renewable and renewable energy sources of energy. The following parts describe the renewable energy sources: energy of the environment, geothermal energy, wind energy and solar energy. The ways of utilization and the advantages and disadvantages of each type of renewable sources are also given. The overview of implementation of renewable energy sources in West Balkans countries is also presented. In the next section biofuels are presented. The advantages and disadvantages of each biofuels are indicating as well as the possibilities of their production in the Western Balkans

countries.

U ovom poglavlju su opisani obnovljivi izvori energije. U prvom delu poglavlja daje se prikaz osnovnih pojmova. Z sledćim poglavljima prikazani su obnovljivi izvori energije: energija okoline, energije okoline; geotermalna energija, energija vetra i energija Sunca. Date suosnove definicije, načini korišćenja kao i navedene prednosti i nedostaci. Za svaki tip navedenih obnovljivih izvora je dat presek stanja korišćenja u zemljama Zapadnog Balkana. U sledećem delu ovog poglavlja su opisani bioobnovljivi izvori energije, sa akcentom na tečna biogoriv. Za svako obradjeno biogorivo su navedene prednosti i nedostaci korišćenja kao i mogućnosti njihove proizvodnje u zemljama zapadnog Balkana.

1

4. OBNOVLJIVI ENERGETSKI RESURSI Renewable energy resources

Milorad Cakić Univerzitet u Nišu, Tehnološki fakultet u Leskovcu

U ovom poglavlju su opisani obnovljivi izvori energije, i to u prvom delu su dati osnovni pojmovi u vezi sa energijom, podela izvora energije, definicije neobnovljivih i obnovljivih izvora energije, zakonodavstvo EU u vezi obnovljivih izvora. U drugom delu su opisani izvori energije počev od energije okoline i princip rada toplotne pumpe. U trećem delu su obrađeni novi obnovljivi izvori energije; geotermalna energija, energija vetra i energija Sunca. Date su osnove i definicije, opisani su načini korišćenja i pretvaranja u toplotnu, ili u električnu energiju, i navedene prednosti i nedostaci korišćenja datog vida energije. Za svaki tip navedenih obnovljivih izvora je dat presek stanja korišćenja u zemljama Zapadnog Balkana. U sledećem delu ovog poglavlja su opisani bioobnovljivi izvori energije, sa akcentom na tečna biogoriva t.j. biodizel i bioetanol i biogas. Za svako od ovih biogoriva je posle definicija opisan mehanizam dobijanja, dat je pregled sirovina koje se koriste u proizvodnji, opisani su načini proizvodnje, razmatrani uticaji nekih faktora u proizvodnji i opisani tehnološki postupci, koji su medjusobno uporedjivani. Za svako obradjeno biogorivo su navedene prednosti i nedostaci korišćenja, navedene su mogućnosti njihove proizvodnje u zemljama zapadnog Balkana (WB) kao i trenutna proizvodnja u njima. Na kraju je dat određen broj pitanja sa odgovorima kao i pitanja bez odgovora sa ciljem provere i razumevanja izloženog materijala. Navedena je i korišćena literatura koja može biti od pomoći onima koji žele vise konkretnijih informacija, činjenica i znanja.

4.1. Osnove Basic

4.1.1. Energija Energy Energija je jedno od važnijih svojstava sistema. Naziv energija potiče od grčke reči koja je sastavljena od prefiksa koji ozna čava sadržinu i korena reči što znači rad, pa se može reći da reč energija označava aktivnost. Energija koju sadrži sistem javlja se u različitim vidovima; kao potencijalna (ova je u vezi položaja sistema kao celine); kao kinetička koja je u vezi kretanja sistema kao celine;

8

Kada se govori o obnovljivim izvorima energije i njihovom potencijalnom korišćenju treba imati u vidu sledeća pitanja:

• koliki su resursi (količina) prisutni u okolini • u koje svrhe i do kada se može koristiti • kakav je uticaj na okolinu i • cena i ekonomska isplativost i verovatno vazno eticko ali i politicko pitanje u nekim

slucajevima (biogoriva) a to je: hrana ili biogorivo ?

4.2. Energija okoline. (Energy of the Surroundings) 4.2.1. Toplotne pumpe (Heat pumps)

Pod energijom okoline podrazumevamo energiju vazduha, vode i zemlje koja može

pomoću toplotnih pumpi da se koristi t.j. podigne na višu temperaturu. Toplotna pumpa je uređaj koji, po definiciji, apsorbuje toplotnu energiju sa jedne lokacije (energija okoline) i premešta je na drugu lokaciju (objekat koji se greje ili hladi).

Slika 4.2. Šema toplotne pumpe

Ime „toplotne pumpe“ je izvedeno od reči toplota i pumpa koje u svom originalnom značenju predstavljaju premeštanje toplotne energije sa jednog prostora na drugi. Toplotna pumpa (v. Sl. 4.2.) koristi jedan od osnovnih zakona termodinamike da se energija ne može ni stvoriti ni uništiti već samo da promeni svoj oblik i svoje mesto postojanja. Toplotne pumpe ne proizvode energiju samostalno. Sama toplotna pumpa neće imati nikakvog dejstva ukoliko nije priključena na izvor energije tipa zemlje, vode ili vazduha; (okolina) pa tako toplotna pumpa doprinosi njenom najboljem i najjeftinijem iskorišćenju.

.

Princip rada toplotne pumpe je vrlo jednostavan i približno isti principu rada kućnih rashladnih aparata (npr. frižider i klima uređaj). On se ogleda u korišćenju toplotne energije našeg okruženja. Razlika je samo u smeru u kome se vrši predavanje toplotne energije. Ovde je zadatak toplotne pumpe da toplotu iz okoline (zemlja, voda, vazduh) podiže na željeni nivo da bi se koristila u svrhu greanja ili hlađenja. Principijelno, nema razlike u procesu rada uređaja prilikom grejanja , ili hlađenja

9

objekta. Sistem grejanja toplotnim pumpama sastoji se od: izvora toplotne energije to je energija okoline, same toplotne pumpe i sistema za distribuiranje i čuvanje toplotne energije.

1.

Toplotna pumpa se sastoji iz 2 razmenjivača toplote, 1 i 3, (jedan sa isparivačem, a drugi sa kondenzatorom), kompresora, 2, i ekspanzionog ventila 4.

Toplotna energija se uzima iz okoline i posredstvom nekog fluida, to je obično voda sa dodatkom antifriza da bi se sprečilo njeno zamrzavanje u vreme niskih temperatura, dovodi do isparivača toplotne pumpe. U isparivaču se nalazi pogonski gas – freon koji preuzima tu energiju i fazno se transformise - isparava. Gas zatim ulazi u kompresor i komprimuje, pod visokim pritiskom, što dovodi do značajnog povećanja njegove temperature (uglavnom +90 do 95°C, mada može i više).

2.

U kondenzatoru gas se kondezuje i predaje toplotu drugom fluidu (obično voda) koji cirkuliše kroz sistem za grejanje.

3.

4.

U cilju primene toplotne pumpe za potrebe grejanja nekog objekta treba preračunati:

Zahvaljujući predaji toplotne energije gas se vraća na prvobitnu temperaturu koji se zatim dovodi do ekspanzionog suda i ventila, čime se pritisak vraća u početno stanje. Potom se gas vraća u isparivač gde proces počinje ponovo.

1) potrebnu toplotu za grejanje, prema postavljenim kriterijumima za grejanje (temperatura i površinu zagrevanog prostora i vreme trajanja zagrevanja u toku 24 h),

2) kapacitet kompresora i snagu motora, 3) radnu površinu kondenzatora, 4) radnu površinu isparivača i 5) snagu pumpi.

Energetska efikasnost toplotnih pumpi se izražava preko koeficijenta učinka (COP Coefficient of performance) koji predstavlja odnos između energije koja je uložena i energije koju dobijamo na izlazu za grejanje, što je on veći utoliko je efikasnost sistema bolja. U zavisnosti od tipa energije koja se toplotnom pumpom razmenjuje postoje geotermalne, hidro i toplotne pumpe za vazduh. Toplotne pumpe spadaju u najefikasnije sisteme razmene toplote (grejanje i hlađenje) jer od 100% energije koju pumpa generiše 75% je besplatno, a samo 25% energije dolazi iz elektrilčnih izvora koji se plaćaju. U naredna tri podpoglavlja biće više reči o njihovoj primeni kod pojedinih obnovljivih izvora energije.

10

4.3. Geotermalna energija (Geothermal energy) 4.3.1. Uvod (Basic) Prema danasnim shvatanjima zemlja je nastala iz gasova i prašine pre oko 4 milijarde godina, a u sebi sadrzi veliku energiju. Ispod Zemljine površine nalaze se ogromne količine toplotne energije, koja je akumulirana u fluidima i stenama i naziva se geotermalna energija. Naziv geotermalna energija potiče od dve grčke reči: geo ( ) što znači zemlja i terme () što znači toplota. Količina ove energije je ogromna i stalno se obnavlja zahvaljujući procesima kojima nastaje. Zbog toga se ova energija može smatrati obnovljivom energijom, mada je u svojoj suštini ovo neobnovljiv izvor energije zbog procesa kojima nastaje koji će trajati još oko 5 milijardi godina. Geotermalna energija se stvara usled raspadanja radioaktivnih elemenata, pre svega u jezgru, hemijskih reakcija, procesa kao što su kristalizacija i učvršćivanje koji su ropraćeni oslobađanem energije, ali i kao rezultat trenja pri kretanju tektonskih ploca. Svi ovi procesi su propraćeni oslobađanjem posebnih vidova energije i njene transformacije u toplotnu energiju (Jakupović, Mirjannić, 2009). Poluprečnik zemlje je oko 6380 km, (v. Sl. 4.3.), a unutrašnja struktura zemlje je još uvek diskutabilna, pošto pretpostavke o unutrašnjosti zemlje baziraju na naučnim pretpostavkama baziranim na eksperimentima u uslovima visokih pritisaka i temperatura. Zemlja ima nekoliko slojeva:

1. jezgo, 1370 km, cija je temperatura 4000 do 7000 0

2. debelo spoljašnje jezgro, oko 2000 km, sa stopljenim teškim metalima kao nikl i gvožđe, temperature od 650 do 1250

C

0

3. sloj omotača, formiran usled tečenja magme, oko 2900 km (spoljni i omotač), C,

4. spoljnu krutu koru (litosfera) koja je 0d 5 do 50 km, a sastavljena je od stena, Smatra se da je 99% Zemljine kugle toplije od 1000, a da je samo 0,1% hladniji od 100 0

Idući od Zemljinog jezgra prema površini temperatura opada, a ovo opadanje (promena) temperature sa rastojanjem (po jedinici duzine) naziva se temperaturni gradijent. U zemlji postoji temperaturni gradijent od oko 0,03

C sto imajuci u vidu masu yemlje predstavlja ogromnu kolicinu energije.

0C/m, (on je najveći neposredno uz površinu, a sa povećanjem udaljenosti opada), tako što temperatura zemlje idući od površine prema unutrašnjosti raste i to za 17 do 30 0C po kilometru. Srednji temperaturni gradijent od 10 0C po kilometru koji je rezultat difuzije unutrašnje toplote (energije) važi za prvih 100 km od površine zemlje, a raste idući prema središtu zemlje (proces difuzije je veoma spor pa je potrebno oko 100 miliona godina da energija sa dubine od 100 km dospe na površinu Zemlje). Imajući u vidu osnovni zakon o razmeni toplote, t.j. Prvi princip termodinamike da toplota spontano prelazi sa toplijeg na hladnije telo (sistem) to i u ovom slušaju toplota iz unutrašnjošti zemlje se prenosi prema površini koja je hladnija. Smatra se da je ovaj prenos toplote uzrok kretanja tektonskih ploča, a njihovo kretanje je uzrok pojavi zemljotresa, i

15

omogućilo ekvivalent električne energije dovoljan da se svet snabdeva električnom energijom narednih 15 000 godina. Naime, prema nekim podacima, sa geotermalnom energijom (do 3 km dubine) bi se moglo proizvesti ukupno 106 TWh struje što je oko 80 puta više od trenutne svetske proizvodnje (Radaković M. 2010). Iz praktičnih razloga geotermalni potencijal se razmatra na dubinama do 10 km, (to su dubine koje se postižu danas raspoloživom tehnologijom u proizvodnji nafte i gasa), a ovaj potencijal je oko 8000 puta veći od rezervi fosilnih goriva, ili ukupna energija (toplotna) u unutrašnjosti zemlje iznosi oko 1020 tona ekvivalentne nafte (toe). Još od vremena Rimskog carstva geotermalna energija se koristila za zagrevanje javnih, vojnih, objekata za stanovanje i drugih, ili za rekreacione i zdravstvene svrhe (bazeni za kupanje). Danas se termin geotermalno grejanje odnosi kako na grejanje prostora tako i za njegovo hlađenje korišćenjem toplotnih pumpi o kojima je bilo reči napred, tako da je polje primene geotermalne energije i njen udeo danas značajan. Udeo geotermalne energije u ukupno proizvedenoj energiji u svetu iznosi oko 0,06%, od toga se pomoću ove energije dobija oko 8000 MW električne energije u Svetu, a u EU oko 2060 MW. Geotermalna energija se danas koristi:

1. kao toplotna energija; za zagrevanje (toplifikaciju, grejanje) stanova, javnih objekata i ustanova u naseljenim mestima, ali i u industriji i poljoprivredi za zagrevanje staklenika i proizvodnji voća, povrća i cveća, u industriji papira, sušenja drveta, vune, stočarstvu, sušenje žitarica, uopšte za dehidrataciju ili uparavanje i koncentrisanje, ribarstvo (zagrevanje ribnjaka), mlekarska industrija (u procesu pasterizacije za koji su inače potrebne velike koičine energije),

2. u balneologiji i sportsko rekreativne svrhe i 3. proizvodnju električne energije

4.3.3.1. Geotermalna energija i zagrevanje (Geothermal energy and Heating)

Korišćenje geotermalne energije kao toplotne energije za zagrevanje je odavno poznato. Iz istorijskih izvora se zna da su još u antičko doba Rimljani i drugi narodi uveliko koristili geotermalnu energiju za zagrevanje koristeći sisteme podnog grejanja, ali isto tako i za zagrevanje vode u bazenima za kupanje, rekreaciju, ili za balneološke svrhe. Danas najveći geotermalni sistem koji služi za grejanje domaćinstava, javnih ustanova i sl. postoji na Islandu. Oko 89% domaćinstava na Islandu, odnosno u glavnom gradu Rejkaviku, se greje na ovaj način, dok se 20% električne struje proizvodi na bazi geotermalne energije. Primer Islanda nije usamljen. Geotermalna energija za zagrevanje se uveliko koristi i na Novom Zelandu, Japanu, Filipinim, Italiji i SAD (Kalifornija, Ajdaho gde je prvi javni sistem grejanja formiran još 1892 god.), dok je udeo ove energije za zagrevanje na prostorima zemalja WB zanemarljiv. Inače u Evropi postoji oko 1000 000 geotermalnih instalacija, a u SAD oko 5000 000. Zahvaljujući geotermalnoj energiji danas je ušteda u električnoj energiji oko 24 M kWh, što je ekvivalentno sa 40 miliona tona fosilnih goriva, i smanjenju emisije ugljendioksida za oko 6 miliona tona i 3,6 miliona tona drugih zagađivača.

22

da se otvori prva bušotina. Najveću temperaturu imaju vode u Vranjskoj banji, 96 0C, (pa je do skora u ovoj banji zahvaljujuci upravo ovome bio jedan od najvecih sistema staklenika za proizvodnju cveca, ali se grejala i farma za tov pilica), Jošaničkoj i Sijerinskoj (oko 78 0C, ova banja, kako je poznato jedinina ima gejzir kao izvor vruće vode, temperature oko 70 0

1. osobine resursa, jedna ili više ključnih osobina koje su potrebne za procenu energije koja se realno može koristiti

C i visine oko 10 m), nešto su niže temperature u Prolom banji, Lukovskoj, Ribarskoj i Vrnjackoj, slične potencijale ima Bosna i Hercegovina, Banja Vrućica, Slatina, Laktaši, Srpske toplice itd (www. centrala.org.rs./knjiga%20oliber% perpetum/05Energija-zemlje-geotermal-energz.pdf) . Slična je situacija i sa Hrvatskom, i Makedonijom, (Katlanovska Banja) čiji procenjeni kapaciteti su 812 MW toplotne i 45,8 MW električne energije. Glavne lokacije geotermalnih izvora su Varaždinske i Bizovačke toplice. Imajući u vidu prednosti geotermalne energije u budućnosti treba planirati njeno veće učešće u ukupnom energetskom bilansu. Kod procene ekonomičnosti i komercijalizacije geotermalnih sistema mora se voditi računa o proceni osobina nalazišta, izdašnosti, dubini, troškovima bušenja i opreme za konverziju energije, kvalitetu vode i pare u datom području što je složena problematika. No može se ukratko reći da su parametri potrebni za proračun stvarnih troškova obnovljivog izvora energije pa tako i geotermalnog:

2. tehnološki opis sistema 3. parametri učinka sistema kao što su kapitalni troškovi, indirektni, troškovi

održavanja i zamene opreme, rada i sl. ( Radaković M. 2010). 4.4. Energija vetra (Wind energy) 4.4.1. Uvod (Basic) Poznato je gustina zemljine atmosfere, a time i pritisak kao i temperatura, opadaju sa povećanjem visine. Posledica razlika u temperaturi vazduha i pritiska u različitim delovima atmosfere je vetar. Vetar predstavlja horizontalno strujanje vazduha koje nastaje zbog razlika u temperaturi ili pritisku, sa ciljem da se ove izjednače. Za vetar se može reći da predstavlja vazduh koji se pokreće pa zbog toga poseduje kinetičku energiju koja zavisi od brzine. Razlike u temperaturi potiču u največoj meri od sunčeve energije, pa se zbog toga često kaže i da je vetar posledica sunčeve energije i da predstavlja transformisani, ali i obnovljiv izvor, i oblik sunčeve energije. Od ukupne energije sunca koja dolazi na površinu zemlje u energiju vetra se pretvara između 1 i 2%. Zbog načina rotacije zemlje vetar ne duva u pravoj liniji već se uvija u spiralu koja, ponekad, prerasta u vetrove izuzetno velikih brzina i energije koje se nazivaju oluje, uragani i tornada. Uragani i tornada nastaju u veoma toplim i vlažnim uslovima obićno iznad mora i okeana u tropskim oblastima. Često stižu do kopna gde zahvaljujući svojoj ogromnoj energiji izazivaju velike štete, ali brzo prestaju jer na kopnu nema dovoljno vlage da ih održava. Tornada su slabija od uragana. Nastaju

23

kada tople uzlazne i brze vazdušne struje koje imaju manji pritisak susreću silazne hladne, koje se spiralno kreću jedna oko druge praveći uzani levak u kome brzina vetra može biti do 500 km/h. Njihov intenzitet slabi kako se razlika u temperaturi i pritisku smanjuje. Vetar koji se kreće brzinom od oko 240 km/h ruši kuće i može isčupati drveće iz zemlje, dakle poseduje ogromnu kinetičku, mehaničku energiju koja može da se pretvara u druge oblike. Na zemlji postoje područja na kojima duvaju t.z. stalni ili planetarni vetrovi, pa je iskorišćenje energije vetra najisplativije tamo. Ovakve pozicije su obično obale mora i okeana, posebno pučina (međutim, cena instalacija i transporta ometaju korišćenje stalne energije vetra pučina u, recimo električnu energiju). Najčešći način korišćenja energije vetra je pretvaranje njegove kinetičke energije u mehaničku energiju koja okretanjem osovine rotora se pretvara direktno u električnu, ili se pretvara dalje za vršenje nekog drugog mehaničkog rada, recimo okretanje rotora pumpe za navodnjavanje ili pokretanje valjaka za mlevenje, strugara, za pokretanje plovnih objekata preko jedara i sl.. Kod pretvaranja kinetičke energije vetra u mehaničku iskorišćuje se razlika u brzini vetra na ulazu i izlazu. Vetrenjače rade na principu usporavanja brzine vetra pomoću lopatica na propeleru. Vetar duva preko krila propelera izazivajući dizanje kao kod krila aviona, izazivajući njihovo pomeranje, t.j. rotaciono kretanje. Propeleri povezani sa osovinom mogu pokretati generator i proizvoditi struju, ili pokretati neki drugi uređaj. Naprave pomoću kojih se kinetička energija vetra pretvara u mehaničku nazivaju se vetrenjačama bez daljeg pretvaranja u električnu, dok one koje služe zadobijanje električne struje se nazivaju vetroelektrane, turbine na vetar, generator na vetar, vetrenjače za proizvodnju struje. Skup više vetroelektrana na jednom prostoru naziva se vetropark. I kod vetrenjača i kod vetroelektrana se kinetička energija vetra pretvara u mehaničku, preciznije u energiju obrtnog kretanja, pomoću rotora koji se okreće pod pritiskom vetra, koje može dalje pokretati neki drugi radni uređaj, recimo, turbinu generatora. Krakovi rotora su u najranije vreme bili prekriveni platnom, trskom ili drvenim pločicama, a danas se koriste elise (propeler) od metala (aluminijum), plastike ili kompozitnih materijala visoke čvrstoće, jer vetroelektrana ne sme raditi kod brzina vetra većih od 15 m/s. Koeficijent korisnog dejstva ovih mašina koji predstavlja odnos energije proizvedene na obrtnom vratilu i energije koju utroši vetar za to okretanje je dat Betz-ovom formulom i iznosi 59,3%.

32

Slika 4.13. Razlićite konstrukcije radijalnih vetroelektrana

Inicijativa EU je da se poboljša konkurentnost energije vetra, razvojem novih tehnologija i vetrenjača snage do 20 MW, posebno na offshorr wind sistemima, i poboljša integracija mreže vetra sa udelom od 20%, da se poboljša i optimizuje ceo ciklus od logistike, transporta, izgradnja, održavanje i automatizacija sa upravljanjem i kontrolom procesa. U prilog ovakve strategije EU govore i podaci o dosadašnjem razvoju vetroturbina koji se odnose na stanje u Nemačkoj i proizvedene energije koji su prikazani u Tabeli 4.2. Tabela 4.2. Razvoj vetroturbina. 1980 1985 1990 1995 2000 2005 normlna snaga kW

30 80 250 600 1500 5000

prečnik rotora/m

15 20 30 40 70 115

visina/m 30 40 50 78 100 120 proizvedena energija/kWh

35000 95000 400000 1250000 3500000 17000000

4.5. Energija sunca (Solar Energy) 4.5.1. Uvod (Basic) Zemlja je deo Sunčevog sistema. Sunce je zvezda koja je nastala pre oko 5 milijardi godina i najbliža je zvezda Zemlji. Sunce predstvlja izvor života na Zemlji, ali prema današnjim shvatanjima i siguran izvor energije u budućnosti, jer je izvor gotovo sve raspoložive energije u proteklom periodu, a prema raspoloživim zalihama vodonika na njemu to će se nastaviti još narednih 5 milijardi godina. Energija sunca potiče od nuklearnih reakcija koje se odvijaju u njemu, pa se može grubo smatrati da Sunce predstavlja jedan fusioni reaktor u kome se spajanjem dva atoma vodonika dobija molekul inertnog gasa helijuma uz oslobađanje velike količine energije. Smatra se da se svake sekunde 600 miliona tona vodonika pretvori u helijum, a oko 4 miliona se transformiše u energiju. Ovaj proces je propraćem oslobađanjem velike količine energije t.j. toplote, tako da je temperatura u jezgru Sunca oko 15 milijona 0C, koja se širi Svemirom u vidu elektromagnetnog zračenja, ili svetlosti, pri čemu jedan deo ove energije dospeva do površine zemlje. Naime od 3,8 1026 W koje Sunce emituje u Kosmos, do površine Zemlje stigne oko 1,7 1017 W, a od toga oko 70% se reflektuje nazad u Kosmos, 47% se apsoruje kao toplota, 23% ide na procese kruženja vode u prirodi a ostatak na procese fotosinteze. Ako su pogodni uslovi na površini zemlje se dobija oko 1 kW/m2 , u zavisnosti od lokacije, godišnjeg doba, vremenskim uslovima, dobu dana ova vrednost insolacije može biti manja ili veća. Dotok energije Sunčevim zračenjem naziva se solarna konstanta, koja prosečno iznosi 920 W/m2. Na godišnjem nivou to bi u proseku iznosilo 3000 kW/m2 Zemljine površine. U pitanju su

33

dakle ogromni, još nedovoljno korišćeni energetski resursi na koje u budućnosti treba daleko više i ozbiljije računati, (www.tehno’dom.hr/index.php). Na osnovu nekih predviđanja pretpostavlja se da će do 2050 god. od 20 do 30 % svetske proizvodnje električne energije biti solarnog porekla. Već danas su izgrađene neke solarne elektrane sa snagama većim i od 2 MW. Tako u Španiji trenutno najveća elektrana ima snagu 20 MW, sa panelima na 100 hektara a uskoro treba da se pusti u pogon u Novom Meksiku jedna snage 300 MW na 1300 hektara. S druge strane sve više se koristi sunčeva energija kao toplotna za zagrevanje stambenih, javnih i drugih građevinskih objekata, zatim kao dodatna energija u poljoprivredi i industriji. Po masovnosti primene na prvom mestu je primena sunčeve energije za zagrevanje prostora. Za to se koriste kolektori koji sakupljaju sunčevu energiju i toplotne pumpe koje koriste sunčevu energiju akumuliranu u okolnom prostoru ili zemljinom tlu. 4.5.2. Sunčeva energija i njena transformacija u toplotnu i električnu energiju (Transformation of Solar Energy to Electricity and Heat) Energija zračenja koja dopire do površine Zemlje zavisi u prvom redu od trajanja insolacije (to vreme trajanja sijanja Sunca, odnosno o vremenu kroz koje se Sunce nalazi iznad horizonta). Trajanje insolacije zavisi od mnogih faktora pre svega geografskih i klimatskih: geografske širine i od godišnjeg doba. Razlika između vremena izlaska i vremena zalaska Sunca kojoj je izložena horizontalna i nezaštićena površina daje vreme trajanja insolacije.Ono iznosi za našu zemlju oko 15 h leti i oko 9 h zimi. Stvarno trajanje insolacije

Slika 4.14. Količina solarne energije po času, koju svakodnevno prima površina pod optimalnim

iskošenjem u toku najgoreg meseca u godini (na osnovu prikupljenih podataka o insolaciji u svetu, a prema: www.geog.pmf.hr./e-skola/geo/mini/obnov-izvori-energ-/solarna-en.html),

45

Plan Europske Unije je instaliranje 3000 MWp do 2010. godine, ali sadašnji pokazatelji su da će do onda biti instalirano oko 1780 MWh.

Slika 4.22. Solarni modul i solarna farma

Neke solarne čelije su tako dizajnirane da rade sa koncentrisanim sunčevim zračenjem, sadrže koncentrisane kolektore koji koriste sočiva za fokusiranje svetlosti u čelije. Prednost ovakvih sistema je u tome što koriste manje skupih poluprovodnika sa sakupljanje velike količine sunčeve svetlosti a nedostatak što sočiva moraju biti usmerena prema suncu, pa često imaju sisteme za sofisticirano praćenje kretanja sunca. Najveći godišnji prihod energije se dobija ako je površina orijentisana prema jugu i ima nagib od 30 stepeni; ova orijentacija i nagib su optimalni i za periode mart-april i avgust-septembar za WB zemlje.

Solarne čelije se povezuju u module sa oko 40 čelija, složenih u redovima širine i do nekoliko metara, fiksirani prema jugu ili montirani na nosače da prate kretanje Sunca. Nekoliko povezanih redova snabdevaju domaćinstvo, a veliki broj ovih redova služi za industrijske potrebe što je princip Solarnih farmi v. Sl 4.22.

Solarne farme često su koncipirane kao hibridni sistemi v. Sl. 4.23. Naime, pošto proizvodnje struje nema kada zbog vremenskih uslova (oblačnost, zalazak sunca, noć) Solarne farme su kombinovane sa farmama vetra što omogućava kontinuiraniju proizvodnju struje ili sa nekim drugim izvorom.

50

4.6. Bioobnovljivi izvori energije Biorenewable energy resourses Vlada Veljković Olivera Stamenković Univerzitet u Nišu, Tehnološki fakultet u Leskovcu

Tečna fosilna goriva su već duži niz godina osnovna i dominantna goriva za pogon motornih vozila i mašina u građevinarstvu, industriji, poljoprivredi. Primat među njima ima nafta, zbog velike toplotne moći, relativno jednostavne eksploatacije i manipulacije i mogućnosti dalje prerade.

• obnovljivi su izvor energije

Ograničeni resursi i rast cene nafte, kao i sve veći problemi zagađenja životne sredine usmerili su istraživanja u pravcu razvoja alternativnih goriva. Najperspektivnija alternativna goriva su tzv. biogoriva, odnosno goriva dobijena iz bioobnovljivih sirovina odnosno iz biomase. Prva generacija biogoriva su etanol, biodizel i biogas, dok drugu generaciju čine; biohidrogen, bio-DME, biometanol, DMF, HTU dizel, Fišer-Tropš dizel i Mešavine alkohola. Biomasa je pogodna za proizvodnju čvrstih, tečnih i gasovitih biogoriva doprinoseći energetskoj efikasnosti i održivosti, jer je u njoj sadržana energija fotosinteze ili drugom rečima rezervoar je sunčeve energije. U odnosu na fosilna koja sadrže uglavnom ugljvodonike, biogoriva sadrže više ili manje kiseonika pa se nazivaju i oksinogena goriva ili oksigenatori. Biogoriva se koriste kao pogonska goriva u transportu, kao i za za proizvodnju toplotne i električne energije. Strategija EU je da udeo biogoriva, računat na osnovu sadržaja energije, u ukupnoj potrošnji goriva za transport do 2020. godine iznosi najmanje 10 %. Prednosti primene biogoriva ogledaju se u sledećem:

• zamenjuju klasična (fosilna) goriva • ekonomski su pogodnija (pozitivni neto devizni efekat, razvoj ruralnih područja,

povećanje industrijske proizvodnje, nova radna mesta, stimulacije i ulaganja u poljoprivredu),

• ekološki prihvatljivija. Projekcija svetske potrošnja energije po tipu u periodu od 1980 do 2030 god. predviđa dominicaju fosilnih goriva, ali i povećanje udela obnovljivih izvora energije pa i bioenergije odnosno biogoriva (Orlović et al., 2007). Tečna biogoriva koja već ima široku primenu u svetu jeste jesu biodizel i bioetanol, dok je biogas bioobnovljivi izvor energije, supstituent zemnom gasu. 4.6.1. Biodizel (The biodiesel) Po hemijskom sastavu biodizel je smeša alkil estara nižih alifatičnih alkohola i viših masnih kiselina, koja se dobija postupkom alkoholize biljnih ulja. Svi industrijski procesi dobijanja biodizela zasnivaju se na metanolizi biljnih ulja, tako da se pod biodizelom u užem smislu podrazumeva smeša metil estara masnih kiselina (MEMK) standardizovanog kvaliteta. Prema podacima Evropskog odbora za biodizel proizvodnja biodizela u Evropi u 2009. godini je iznosila 9 miliona tona, što je za 16,6 % više u odnosu na 2008. godinu. Najveći proizvođači biodizela su Nemačka (28 % od

55

Slika 4.25. Šema dobijanja biodizela Lurgijevim postupkom

Pored značajnih prednosti, bazno katalizovana metanoliza ima i nedostataka, koji se odnose na kvalitet polazne uljne sirovine. Ovo predstavlja ozbiljno ograničenje primene bazno katalizovane metanolize u slučaju jeftinih sirovina, kao što su korišćena i nejestiva ulja. Pored toga, proces izdvajanja i prečišćavanja proizvoda je složen i sastoji se u višestrukom ispiranju metil estarskog sloja vodom, što otvara problem otpadnih voda. Nakon odvajanja metanola, glicerol se mora dalje prečistiti. Novi pravci razvoja tehnologije sinteze biodizela usmereni su ka postupcima koji daju visoke prinose metil estara u što jednostavnijim i ekološki prihvatljivijim procesima. Heterogeno-katalizovana metanoliza. Nedostaci klasičnih - konvencionalnih načina sinteze MEMK mogu se izbeći primenom novih tehnologija koje se baziraju na korišćenju heterogenih katalizatora. Heterogeni katalizator se lako odvaja od proizvoda reakcije, čime se eliminiše proces neutralizacije katalizatora, a proces prečišćavanja proizvoda čini mnogo jednostavnijim. Na ovaj način dobija se čistiji i biodizel i glicerol. Zbog jednostavnijeg postupka i mogućnosti višestruke upotrebe katalizatora, celokupan proces heterogene sinteze MEMK istovremeno ima neuporedivo povoljniji ekonomski efekat. Ekonomski razlozi i ekološki zahtevi su osnovni preduslovi da se u bliskoj budućnosti homogena kataliza zameni heterogenom.Sinteza biodizela zasnovana na korišćenju odgovarajućeg heterogenog katalizatora može da umanji utrošak energije i do 50 % i tako smanji ukupne proizvodne troškove (Glišić et al., 2009). Katalitička aktivnost heterogenih katalizatora zavisi od njihove prirode, veličine i specifične povšine čestica, temperature i drugih reakcionih uslova. Generalno, aktivnost katalizatora se povećava smanjenjem veličine, odnosno povećanjem specifične površine njihovih čestica. Istraživanja heterogeno katalizovane metanolize odnose se uglavnom na primenu baznih katalizatora. Značaj čvrstih kiselih katalizatora u metanolizi biljnih ulja je smanjen malih brzina reakcije i neželjene reakcije dehidratacije glicerola i nastajanja akroleina i vode. Kisela heterogena metanoliza je aktuelna sa aspekta dobijanja biodizela iz ulja sa velikim sadržajem SMK. U ispitivanjima heterogeno katalizovane metanolize biljnih ulja korišćena su

56

različita jedinjenja kao katalizatori: oksidi, hidroksidi, alkoksidi i soli metala, zeoliti, jonoizmenjivačke smole, Mg-Al hidrotalciti, impregnirane soli alkalnih metala, alkilguanidini i metali. Heterogeno katalizovana metanoliza je izvođena pri vrlo različitim reakcionim uslovima. Prinos metil estara i brzina heterogeno katalizovane metanolize zavise od velikog broja faktora, a najznačajniji su: molski odnos metanol-ulje, temperatura reakcije, čistoća reaktanata, intenzitet mešanja i vrsta, količina i priprema katalizatora (Stamenković, 2008). Prema rezultatima dosadašnjih ispitivanja brzina heterogene bazno katalizovane metanolize je relativno mala, naročito u početnom periodu reakcije. Razlog tome su najčešće difuziona ograničenja, jer je reakciona smeša trofazni sistem koji se sastoji iz jedne čvrste faze (katalizator) i dve nemešljive tečne faze (ulje i metanol). Jedan od načina povećanja brzine heterogeno katalizovane metanolize jeste upotreba rastvarača, koji doprinose boljoj rastvorljivosti ulja i metanola. Smanjenje maseno-prenosnih ograničenja u heterogeno katalizovanim reakcijama u tečnoj fazi može se postići korišćenjem katalizatora impregniranih na nosaču. Nosači doprinose povećanju aktivne površine katalizatora njegovim vezivanjem u porama nosača. Na ovaj način celokupna količina katalizatora je dostupna za katalizu. Nanošenjem katalizatora na nosače može se povećati baznost, a samim tim i katalitička aktivnost samog katalizatora. Pored pomenutih prednosti primene nosača, ispitivanja ovakvih sistema daju osnovu za razvoj kontinualnih postupaka heterogeno katalizovane metanolize (Miladinović et al., 2010). Za dobijanje katalizatora na nosaču najčešće se primenjuju dva postupka: metoda vlažne impregnacije prekursora aktivnog katalizatora na nosaču (incipient wetness impregnation method) i sol-gel postupak. Aktivni katalizatori u ovim sistemima su najčešće oksidi alkalnih i zemnoalkalnih metala. Njihovi prekursori su termički nestabilne soli metala, najčešće nitrati i acetati, koji su impregnirani na nosaču i iz kojih se oksidi metala dobijaju kalcinisacijom na visokim temperaturama. Kao nosači katalizatora mogu se koristiti materijali koji su termički stabilni, imaju odgovarajuću specifičnu površinu i poroznost, stabilizuju impregnirane molekule aktivnog katalizatora na svojoj površini i onemogućavaju njihovo luženje. U dosadašnjim ispitivanjima kao nosači katalizatora korišćeni su alumina, silika, ZnO, MgO i ZrO (Zabeti et al., 2009). Jedini komercijalni kontinualni postupak metanolize biljnih ulja primenom heterogenog katalizatora, poznat kao Esterfip-H proces, projektovan je od strane Axens IFP group Technologies (Francuska). U ovom trenutku, pored postrojenja u Francuskoj, Sète, koje je pušteno u rad u martu 2006. godine, završeno je i

• visok prinos biodizela (99%),

postojenje u Švedskoj (2007), dok je u izgradnji još 6 fabrika na različitim lokacijama širom sveta. Osnovne karakteristike ovog postupka su:

• glicerol koji se dobija sa čistoćom iznad 98%, bez tragova neorganskih soli,

• jednostavan postupak (nema pranja estara vodom) • manja potrošnja katalizatora po toni proizvedenog biodizela.

57

Slika 4.26. Šema dobijanja biodizela Esterfip-H postupkom

Katalizator reakcije metanolize je mešavina oksida cinka i aluminijuma spinalne strukture, a reakcija se izvodi na povišenoj temperaturi i pritisku u odnosu na homogeno katalizovanu i uz višak metanola. Željena konverzija i biodizel koji odgovara standardima dobija se u dva uzastopna reaktora sa međustepenom separacijom glicerola u cilju smanjenja brzine povratne reakcije između glicerola i estara masnih kiselina i pomeranja ravnoteže ove reakcije u desno (slika 4.26). Višak metanola se ukloni posle svakog reaktora delimičnim isparavanjem, a zatim se estri i glicerol razdvajaju u separatoru. Deo za prečišćavanje stvorenih estara sastoji se od finalnog isparivača metanola pod vakuumom i adsorbera za fino prečišćavanje. Dobijeni biodizel iz prvog, odnosno, drugog reaktora sadrži 94,1% MEMK, odnosno, 98,3%. Glicerol, čistoće 98 % ne sadrži soli niti neorganska jedinjenja, a glavne nečistoće u njemu su voda, metanol i meti estri (Bournay et al., 2005). Enzimski katalizovana metanoliza. Pored hemijski katalizovane metanolize, poslednja decenija obeležena je intenzivnim proučavanjem primene enzima u procesima dobijanja biodizela. Enzimi lipaze (EC 3.1.1.3) katalizuju esterifikaciju masnih kiselina i metanolizu TAG. Zbog svoje aktivnosti u nevodenim i vodenim sredinama, na ili u blizini međufaznih površina, bez prisustva kofaktora u većini slučajeva, lipaze su najverovatnije najčešće korišćeni enzimi u biotransformacijama. U sintezi biodizela lipaze su prvi put korišćene 1986. godine u vodenoj sredini, a od 1990. godine u nevodenoj sredini (Mittelbach i Remschmidt, 2005). Enzimski katalizovana alkoholiza je mnogo jednostavniji proces jer nije potreban metanol u višku, prečišćavanje metil estara i glicerola je nepotrebno, a njihovo razdvajanje jednostavno i nema otpadnih voda. Osim toga, u prisustvu lipaza istovremeno se odigravaju i metanoliza TAG i esterifikacija SMK pri blagim uslovima temperature, pritiska i pH vrednosti sredine. Nedostaci primene enzimskog postupka

63

koristila kao energenti (ili je to rađeno u zanemarljivim količinama) navode se: odsustvo odgovarajućih pravnih i tehničkih propisa, neiskren i nedovršen odnos prema evropskim integracijama, nedovoljno odgovoran odnos prema zaštiti životne sredine i zanemarljiv broj stručnjaka svih profila i kvalifikacija koji su osposobljeni za uvođenje u korišćenje različitih vidova obnovljivih izvora energije. 4.6.2. Bioetanol (The bioethanol) Bioetanol je tečni obnovljivi izvor energije iz biomase, tj. predstavlja etanol dobijen preradom šećernih, skrobnih i lignoceluloznih biljnih kultura. Posebna pogodnost je mogućnost korišćenja bioetanola kao dodataka benzinu, u Otto motorima. U upotrebi su različite mešavine bioetanola i benzina. Kakav je odnos mešanja sa benzinom eksplicitno se vidi iz oznake goriva. E je oznaka za bioetanol, a brojni podatak označava procentualni zapreminski udeo bioetanola u gorivu. Često uz slovo E stoji i oznaka d što znači denaturisani bioetanol, tj. bioetanol koji nije za piće. Kada se govori o bioetanolu kao gorivu, onda se najčešće misli na smešu 85 % bioetanola i 15 % benzina, koja se označava sa E85.

Bioetanol se proizvodi fermentacijom šećera prisutnih u biomasi ili šećera dobijenih prethodnom kiselinskom ili enzimskom konverzijom sastojaka biomase. Fermentacija šećera biomase se vrši pomoću mikroorganizama, i to tradicionalno pomoću kvasaca, a u novijim tehnologijama i pomoću određenih vrsta bakterija. Tehnologija za proizvodnju bioetanola se, dakle, razlikuje u zavisnosti od vrste primenjene sirovine - supstrata i globalno se može podeliti u tri faze (slika 4.27):

1. Prethodna obrada supstrata - priprema sirovine 2. Fermentacija supstrata 3. Izdvajanje proizvoda (striping, rektifikacija, i obezvodnjavanje).

Slika 4.27. Uprošćena blok-šema dobijanja bioetanola iz biomase

Faza pripreme sirovine ima za cilj da se skrobne ili celulozne komponente iz biomase prevedu u fermentabilne šećere i vrši se pomoću enzima ili kiselina. Fermentabilni šećeri su oni šećeri koje mikroorganizmi mogu metabolisati, odnosno fermentisati do etanola, i to su uglavnom monosaharidi sa šest (glukoza, fruktoza, galaktoza, manoza) ili pet ugljenikovih jedinica (ksiloza, arabinoza) ili disaharidi (saharoza, maltoza, laktoza). Supstrati na bazi biomase koja je bogata šećerima, kao na primer, šećerna repa, ne zahtevaju predhodnu hidrolizu, već se na njima može direktno izvoditi mikrobiološka fermentacija do etanola. 4.6.2.1. Dobijanje bioetanola (The bioethanol production)

64

Bioetanol se može proizvesti fermentacijom iz svih sirovina u kojima ima šećera koje proizvodni mikroorganizam može da metaboliše, ili u kojima ima polisaharida koji se mogu razgraditi do šećera. Postoji veliki broj potencijalno mogućih sirovina za proizvodnju bioetanola i generalno su prema tipu ugljenih hidrata koji dominira, podeljene u tri kategorije: • šećerne sirovine: šećerna repa, topinambur i šećerna trska, • skrobne sirovine: krtolaste (krompir, sladak krompir i kazava) i žitarice (pšenica,

raž, kukuruz, ječam i sirak) i • lignocelulozne sirovine (papir, karton, gradski otpad, drvo, trava i drugi vlaknasti

biljni materijali). Šećeri za proizvodnju etanola (glukoza, fruktoza, saharoza, maltoza) mogu se dobiti iz svake od ovih tri grupe sirovina, koristeći činjenicu da se polisaharidi, dekstrini, inulin, skrob i lignoceluloza mogu hidrolizovati do šećera pre prevođenja u etanol. Kada se razmatra izbor industrijske sirovine za proizvodnju bioetanola, moraju se uzeti u razmatranje faktori kao što su (Pejin et al., 2007): • koncentracija ugljenih hidrata (stepen iskorišćenja sirovine) • cena i dostupnost sirovine (svaka zemlja se opredeljuje za sirovinu koje ima

najviše u njenom geografskom i klimatskom okruženju) i • cena tehnološkog postupka za proizvodnju bioetanola na određenoj sirovini. Hidroliza sirovina Osnovni cilj hidrolize je da se izvrši efikasna konverzija dve osnovne polimerne komponente skroba: amiloze, linearnog makromolekula na bazi glukoze vezane α-D-(1-4) glukozidnim vezama i amilopektina, razgranatog makromolekula na bazi glukoznih jedinica vezanih α-D-(1-4) i α-D-(1-6) vezama, do fermentabilnih šećera, koji se zatim mogu fermentisati do etanola pomoću određenih vrsta kvasaca ili bakterija.

Efikasnost hidrolize se kvantitativno prati određivanjem dekstroznog ekvivalenta (DE), koji predstavlja procenat raskinutih glikozidnih veza (Chaplin i Bucke, 1990). Čista glukoza ima DE=100, čista maltoza 50, a skrob 0. Dekstrozni ekvivalent se može predstaviti na sledeći način:

broj raskinutih glikozidnih vezaDE = 100broj glikozidnih veza prisutnih u skrobu na početku

⋅

U praksi se koristi sličan, mada ne identičan izraz:

Hidroliza se može vršiti pomoću kiseline (kiselinska hidroliza) ili pomoću enzima (enzimska hidroliza). Kiselinska hidroliza Ranijih godina je uglavnom korišćena hidroliza skroba kiselinama. Kao agensi za hidrolizu koristile su se hlorovodonična, sumporna i oksalna

koncentracija redukujućih šećerapočetna koncentracija skroba

DE = 100⋅

72

glicerin za obezvodnjavanje rektifikovanih para etanola. Suština ovog procesa je u prolazu para etanola kroz čist glicerin, pri čemu se izdvaja etanol čistoće 99,2 %vol. Efikasnost procesa se može povećati na izdvajanje 99,8 %vol. etanola dodatkom K2CO3

4.6.2.3. Prednosti i nedostaci primene bioetanola (The advantages and disadvantages of bioethanol using)

u rastvor glicerina. Međutim, dobijanje 99,8 - 100 %vol. etanola korišćenjem glicerina kome su dodate soli je neophodno izvoditi pod vakumom, jer se time izbegava degradacija apsorbenta, čime se izvođenje procesa znatno otežava.

Adsorpcija. Metoda slična apsorpciji koja za izdvajanje vode koristi molekulska sita (sintetički i prirodni zeoliti, K-aluminosilikati, kao i određeni prirodni polimeri, skrob i celuloza) čije su pore permeabilne za vodu, ali ne i za etanol. Molekulska sita sa prečnikom pora od 3 Å uspešno vrše obezvodnjavanje etanola, jer u pore molekulskih sita mogu difundovati jedino molekuli vode čiji je prečnik 2,8 Å, dok molekuli etanola čiji je prečnik 4,4 Å ne mogu da uđu u pore i zato se ne zadržavaju na sitima. Tipično postrojenje za obezvodnjavanje pomoću molekulskih sita u suštini predstavljaju sistem od jednog ili dva adsorbera. Adsorberi primenjuju visoki pritisak kada treba da povećaju kapacitet zadržavanja vode na adsorbensu, a nizak pritisak kada je potrebno udaljiti vodu iz adsorbensa. Pored molekulskih sita i drugi čvrsti adsorbenti se mogu primenjivati za adsorpciju vode iz 96%-nog etanola. Zbog malog toplotnog efekta adsorpcije, kao pogodni i efikasni sorbenti su se pokazali celuloza i skrob zbog njihove male toplote adsorpcije. Takođe moguće koristiti mleveno kukurzno brašno kao dehidrataciono sredstvo. Pokazalo se da se ono može 20 puta reciklirati pre nego što se upotrebi za stočnu hranu (Tasić, 2011).

Pervaporacija. Po definiciji pervaporacija je membranski proces za razdvajanje tečnih smeša putem parcijalnog isparavanja komponenti preko semipermealne memrane. Semipermealne membrane su najčešće izrađene na bazi polimera poliviniletanola i zeolita, koji se nanosi na porozni neorganski nosač. Permeat (izdvojena voda) se kondenzacijom prevodi u tečno stanje i tako izvodi iz sistema. Pogonska sila permeacije je razlika u parcijalnim pritiscima permeata kroz membranu. Ovo se postiže izvođem procesa pod vakumom, jer se na taj način snižava ukupni pritisak sa unutrašnje strane membrane. Mogućnost pervaporacije zavisi od toga koliko je komponenta koja se transportuje (voda) kroz membranu polarna, a ne od razlike u isparljivosti komponenata u smeši. Što je molekul manji i veće polarnosti, time je veći permeacioni fluks datog molekula alkohola, a time je pervaporaciona selektivnost manja. Mehanizam pervaporacije odnosno mehanizam transporta vode kroz membranu, takođe zavisi i od vrste semipermebilne membrane. Kada se pervaporacija izvodi gustim polimernim memranama, mogućnost pervaporacije zavisi od toga da li komponenta koja se transportuje (voda) kroz membranu može u njoj da se rastvori i dalje difunduje. A kada se koriste zeolitske membrane (slučaj kada se komponenta ne rastvara u membrani), mogućnost pervaporacije zavisi od adsorpcionog kapaciteta, tj. afiniteta membrane prema komponenti koja se uklanja (Tasić, 2011).

Pogodnost etanola počiva na toplotnoj moći obzirom da je relativno bogat energijom (26,8 MJ/kg), relativno većem oktanskom broju u odnosu na benzin (120), većoj

73

toploti isparavanja i manjoj toploti sagorevanja. Specifična toplota etanola i napon pare nalaze se u oblasti pogodnoj za motorna goriva. Najvažnija prednost korišćenja goriva na bazi mešavina sa etanolom u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem je u manjoj emisiji izduvnih gasova. Kancerogene supstance se ne nalaze u čistom etanolu, ali ih ima u mešavini etanola i benzina, i one upravo potiču od benzina, ali u znatno manjoj meri. Najveći značaj primene etanola sa aspekta emisije štetnih gasova je smanjenje emisije ugljenmonoksida. Primena E10 ukazuje na smanjenje emisije CO za 25%, što se objašnjava potpunijim sagorevanjem zbog prisustva kiseonika u gorivu. Emisija NOx se ne menja značajno dodavanjem bioetanola u odnosu na emisiju prilikom primene čistog motornog benzina (Stojiljković et al., 2007). Nivo emisije CO2 u procesu sagorevanja bioetanola mora se sagledavati kompleksno, tj. kroz celokupni životni ciklus goriva. U tom pogledu generalno se smatra da je bioetanol u velikoj prednosti u odnosu na fosilna goriva, s obzirom da potiče iz biomase. Pošto biljke, od kojih se proizvodi bioetanol, u procesu fotosinteze koriste CO2, ukupan bilans CO2 je u procesu sagorevanja bioetanola jednak nuli, tj. biljke potroše jednaku količinu CO2

Slika 4.29. Svetska proizvodnja i upotreba etanola u milionima tona

sa onom koja nastane procesom sagorevanja etanola. Glavni problem upotrebe bioetanola kao goriva nastaje usled emisije aldehida (posebno acetaldehida), jer njegove količine u vazduhu nisu još regulisane zakonom. Aldehidi se direktno ispuštaju u atmosferu usled sagorevanja etanola i pojedinih ugljovodonika. Aldehidi su fotohemijski reaktivni. Emisija aldehida je kod alkohola 2 – 4 puta veća nego kod benzina, zbog visokog sadržaja vezanog kiseonika. Ipak, ona se lako može neutralisati u katalitičkom konvertoru koji je obavezan sistem na savremenim vozilima opremljenim Otto motorima (Stojiljković et al., 2007). Osim toga, transport bioetanola (E5 - E22) kroz postojeće transportne pumpe i cevovode namenjene tečnom fosilnom gorivu, koje je u trenutnoj upotrebi, bilo bi otežano zbog osobine bioetanola da apsorbuje vodu i njegove visoke sposobnosti da rastvara određene primese, tako da bi njegova upotreba zahtevala modifikaciju postojećih pumpi za gorivo. No i pored navedenih ograničenja upotreba bioetanola kao goriva je u stalnoj ekspanziji, za razliku od njegovog korišćenje u industriji i industriji alkoholnih pića, godinama unazad ne beleži značajniji porast, kako se to može videti iz podataka prikazanih na slici 4.29.

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

Gorivo Industrija Alkoholna pića

Mili

ona

tona

80000

74

4.6.2.4. Uslovi za proizvodnju bioetanola u zemljama WB (The bioethanol production in the

Značajniji razvoj proizvodnje etanola Republici Srbiji nastao je tek nakon 1960. godine, kada je počela izgradnja većih industrijskih kapaciteta sa savremenom opremom i tehnologijom. U Jugoslaviji je 1996. godine postojalo 11 postrojenja čiji je zbirni godišnji kapacitet bio oko od oko 40 miliona hl pri 260 dana rada, odnosno oko 48 miliona hl pri radu od 320 dana godišnje. U današnjoj Srbiji se proizvodnja etanola odvija u 10 industrijskih pogona koji su prikazani u tabeli 4.5. U tabeli su prikazana postojeća industrijska postrojenja za proizvodnju etanola, njihovi kapaciteti kao i sirovine koje koriste za proizvodnju. Najveći pogoni su u Beogradu, Crvenki i Kovinu i predstavljaju oko 85% proizvodnog kapaciteta Srbije. Navedeni pogoni obavljaju proizvodnju etanola sa maksimalnim sadržajem etanola od 96% vol. koji je namenjen uglavnom za alkoholna pića, a manje za medicinske ili farmaceutske svrhe. Nijedan od navedenih industrijskih pogona ne raspolaže opremom za obezvodnjavanje odnosno dehidrataciju etanola, odnosno ne postoji organizovana proizvodnja bioetanola kao goriva u Srbiji (Pejin i Mojović, 2007). Tabela 4.5 Instalisani kapaciteti za proizvodnju etanola u Srbiji (10

WB countries)

3

Postrojenje

hl) (Pejin i Mojović, 2007)

Sirovina Dnevni

kapacitet

Godišnji kapacitet (broj radnih dana)

260 320

Panalko – Beograd Melasa 30 7 800 9 600

Crvenka – novi pogon

Melasa 30 7 800 9 600

Crvenka stari pogon

Melasa+žitarice 15 3 900 4 800

Kadakas – Crvenka Žitarice+melasa 2 560 640

Kovin Melasa 30 7 800 9 600

Osečina Žitarice 4 1 040 1 280

Užice Žitarice+ voće 5 1 300 1 600

Lukas – Bajmok Žitarice+melasa 1,2 312 384

Srbobran Žitarice+melasa 4 1 040 1 280

Takovo Žitarice+krompir 4 1 040 1 280

UKUPNO 125,2 32 812 40 384

Proizvodnja etanola je u Srbiji danas niža nego 1991. godine. Razlozi za to su mnogobrojni, počevši od ukupnog stanja privrede, negativnih zbivanja na planu sveukupne proizvodnje, neadekvatnih zakonskih propisa, tranzicionih kretanja, svrstavanja etanola pod zakonsku regulativu propisanu za vino i etanolna pića, što je

76

(tona*) 52 000 52 000

A+B 73 900 130 200

Ukupna proizvodnja etanola u 2005. godini (tona*)

22 000

-

-

Ukupna instalisan kapacitet u Srbiji 320 dana rada – tabela 2 (tona*)

32 000

-

-

*1 tona ~ 1265 hl°; ª

4.6.3. Biogas (The biogas)

Podatak je neprecizan. Budući da ne postoji podatak o predviđenoj potrošnji motornog benzina u Srbiji u 2020. g. izračunato je 20% od predviđene potrošnje u 2010 g.

Prema raspoloživim podacima u Republici Hrvatskoj trenutno nema proizvođača bioetanola, ali se radi na stvaranju i realizaciji projekata uvođenja industrijske proizvodnje bioetanola. Kompanija Etanol Osijek d.o.o. je osnovana sa ciljem otvaranja fabrike za proizvodnju bioetanola u Osijeku. Što se tiče Republike Makedonije, otvorena je mogućnost investicije od strane Britanske kompanije za proizvodnju ekogoriva Organic fuel LTD u postrojenja za proizvodnju biodizela i bioetanola u Tetovu.

Biogas je vrsta gasovitog biogoriva koje se dobija anaerobnom razgradnjom organskih materija, uključujući đubrivo,kanalizacioni mulj, komunalni otpad ili bilo koji drugi biorazgradivi otpad. U vremenu kada rezerve fosilnih goriva opadaju, energetski troškovi rastu, a životnu sredinu ugrožava nepravilno odlaganje smeća, pronalaženje rešenja za problem biološkog otpada i tretman otpadnih organskih materija postaje pitanje od najveće važnosti. Po hemijskom sastavu biogas je smeša gasova, koja se uglavnom sastoji od metana (55 - 75%) i ugljen-dioksida (25 - 45%), dok je udeo ostalih gasovi značajno manji (vodonik sulfid 0-1%, azot 0-2%, vodonik 0-1%, vodena para 0-2%, amonijak 0-2% i kiseonik 0-0,5%). Sastav i prinos biogasa variraju u zavisnosti od sirovina koje se koriste i od tehnoloških uslova procesa (Tomović, 2002). Biogasni digestori koriste biorazgradljive materije od kojih se dobijaju dva korisna proizvoda: biogas i fermentisano biođubrivo visokog kvaliteta. Biogas prečišćen do nivoa čistoće neophodne za gasovod naziva se obnovljivi prirodni gas i moguće ga je koristiti u svakoj primeni u kojoj se inače koristi zemni gas. To uključuje distribuciju takvog gasa putem gasovoda, proizvodnju struje, grejanje, zagrevanje vode i upotrebu u raznim tehnološkim procesima. Kompresovan biogas može da se koristi i kao pogonsko gorivo za automobile.

77

4.6.3.1. Dobijanje biogasa (The biogas production) Biogas se proizvodi procesom anaerobne digestije. Anaerobna digestija ili fermentacija je biološki proces u kome se organski ugljenik prevodi oksido-redukcionim procesima u najviši stepen oksidacije (CO2) i najviši stepen redukcije (CH4

• Proizvodi manje mulja u odnosu na tehnike koje koriste aerobne procese,

). Ovaj proces se odigrava u odsustvu kiseonika, a katalizovan je velikim brojem mikroorganizama. Anaerobna digestija je prirodan proces i javlja se u različitim prirodnim sredinama kao što su bare, močvare, deponije i td. Proces anaerobne digestije, osim što dovodi do nastanka biogasa, nudi značajne prednosti u odnosu na ostale oblike tretmana otpada:

• Uspešno se tretiraju i otpadi koji sadrže manje od 40% suve materije, • Efikasniji je u otklanjanju patogena, • Minimalna emisija neprijatnih mirisa jer se 99% isparljivih komponenti oksidativno

razlaže pri sagorevanju, npr., H2S formira SO2

• Visok stepen slaganja sa nacionalnim strategijama za smanjenje biorazgradivog otpada,

,

• Mulj koji se dobija koristi se kao đubrivo za poboljšanje plodnosti zemljišta. Proces anaerobne digestije se odvija u zagrejanim, zatvorenim tankovima bez prisustva vazduha kako bi se stvorili uslovi za fermentaciju organskog materijala i dobijanje biogasa. U digestoru se moraju obezbediti odgovarajući uslovi za nesmetano odvijanje procesa. Postoje dva tipa anaerobne digestije (Singh i Prerna, 2009)

Slika 4.30. Šematski prikaz mezofilnog procesa sa dva reaktora, razmenjivačima toplote (RT) i termofilnom post-dezinfekcijom

Termofilna digestija. Digestor se zagreva na 55 °C i proces obično traje 12-14 dana. U ovom procesu je produkcija metana veća, uništavanje patogena i virusa efikasnije, ali zahteva skuplju tehnologiju, veću potrošnju energije i veći stepen monitoringa. Tokom ovog procesa 30 – 60% digestibilnih čvrstih materija se prevodi u biogas (slika 4.31).

: Mezofilna digestija. Digestor se zagreva na 30-35°C i smeša ostaje u digestoru obično 15-30 dana. Mezofilna digestija je tolerantnija u odnosu na termofilnu, ali produkcija gasa manja, potrebni su veći tankovi i ukoliko je potrebno vršiti dezinfekciju ona se mora obaviti kao posebna faza u procesu (slika 4.30).

82

Slika 4.33. Tipovi mešanja u digestoru (a) spoljašnje, recirkulacija pumpanjem, (b) unutrašnje, mehaničko mešanje, (c) unutrašnje, recirkulacija gasa (

Pri spoljašnjoj recirkulaciji tečnosti velika količina fermentacione tečnosti se povlači iz centra digestora, protiče kroz spoljašnje razmenjivače toplote, a zatim se vraća nazad kroz raspršivače u osnovi ili na vrhu digestora. Brzina strujanja pri recirkulaciji mora biti veoma velika kako bi se obezbedilo potpuno mešanje što ograničava upotrebu ovog tipa mešanja. Drugi nedostatak ovakvog mešanja je moguće začepljenje pumpe. Mehanički sistemi za mešanje koriste mešalice sa ravnim lopaticama koje mogu biti postavljene na vrhu ili na stranama digestora. Unutrašnje mešanje pomoću gasa (pneumatsko mešanje) je uspešan metod za mešanje sadržaja digestora i onemogućavanje stvaranja pene. Sistemi za mešanje mogu biti zatvoreni i otvoreni. Sadržaj digestora se meša prolaskom mehurova oslobođenog gasa kroz tečnost. Ovaj tip mešanja je jako efikasan za suzbijanje taloženja čvrste faze. Protok gasa za ovakve sisteme je 0,0045–0,007 m

Appels et al., 2008)

3/m3min (Appels et al., 2008). Vreme trajanja procesa Vreme trajanja procesa anaerobne digestije zavisi u prvom redu od vrste i sastava sirovina i temperature fermentacije. Tako na primer, za fermentaciju tečnog kravljeg stajnjak potrebno je 20-30 dana, za tečni svinjski stajnjak 15-20 dana, a za životinjski stajnjak u kombinaciji sa biljnim materijalom 50-80 dana. Sa povećanjem temperature, brzina bio-digestije se povećava, a vreme trajanja procesa skraćuje (http:/www.gtz.de

Primena anaerobne digestije na čvrste materijale biološkog porekla često je ograničena zbog dugog vremena trajanja procesa (20-30 dana) i niske efikasnosti

). Predtretman napojne smeše

91

U Republici Hrvatskoj najveći potencijal za proizvodnju biogasa imaju Slavonija i Baranja koji se, kada bi se iskoristio u svrhu proizvodnje električne energije, procjenjuje se na nešto više od 200 MW/h dnevno. Farma Slatine poljoprivredne zadruge Osatina u opštini Ivankovo, u Vukovarsko – srijemskoj županiji, je prva elektrana na biogas u Republici Hrvatskoj snage 1000 kW. U fazi izrade projektne dokumentacije je i veći broj postrojenja za dobijanje biogasa uglavnom lociranih u istočnoj Hrvatskoj. U cilju podsticanja korišćenja biomase za proizvodnju energije, Vlada Republike Srbije je usvojila Akcioni plan za biomasu (Sl.glasnik RS 56/2010) - kojim je definisana strategija za korišćenje biomase kao obnovljivog izvora energije imajući u vidu potencijale, nacionalne strategije, zakonske propise i evropske direktive. Akcioni plan za biomasu za Republiku Srbiju je izrađen u skladu sa obavezama iz Ugovora o energetskoj zajednici i u duhu nove Direktive EU o obnovljivoj energiji (Direktiva 2009/28/EC), kao i u skladu sa preporukom EU (COM/2005/628) iz 2005. godine o izradi akcionih planova za biomasu u cilju povećanja njenog korišćenja u zemljama članicama EU. Jedan od najvažnijih zadataka pri izradi akcionog plana za biomasu je bio da se utvrde problemi u procesu korišćenja biomase i definišu aktivnosti, odgovornost i rokovi za njihovo prevazilaženje. Za rešavanje većine identifikovanih problema definisan je vremenski okvir do kraja 2012. godine, a dugoročne aktivnosti su naznačene. Praćenje realizacije akcionog plana za biomasu će vršiti Nacionalni savet za održivi razvoj. Akcioni plan za biomasu je izrađen u saradnji sa ekspertima iz Holandije u G2G programa (www.ekapija.com). PITANJA I ODGOVORI 1. Kako se dele izvori energije? Izvori energije se mogu podeliti na: neobnovljive (ugalj i energenti proizvedeni preradom uglja, nafta i naftni derivati, prirodni gas i atomska, nuklearna energija) i obnovljive (energija vetra, sunčeva energija, bioenergija, geotermalna i energija vode, energija okeana, industrijski i komunalni otpad) 2. Koje su prednosti korišćenja obnovljivih izvora energije? Ovi izvori energije su ekološki su prihvatljiviji i imaju važnu ulogu u smanjenju emisije CO2,

Ova energija je jeftina zbog niskih troškova proizvodnje jer je potrebna samo energija za pokretanje pumpi, predstavlja stabilan i trajan izvor energije, zamenjuje veliku količinu fosilnih goriva, čista je i sigurna za okolinu uz neophodnu brigu, i nezavisna od meteoroloških uslova što je slučaj sa hidroelektranama, elektranama na vetar i kod

povećavaju energetsku održivost i sigurnost a očekuje se da u budućnosti budu ekonomski konkurentni tradicionalnim 3. Šta je toplotna pumpa? Toplotna pumpa je uređaj koji apsorbuje toplotnu energiju sa jedne lokacije (spoljni izvori energije) i premešta je na drugu lokaciju (objekat koji se greje ili hladi). 4. Navedi prednosti korišćenja geotermalne energije.

96

LITERATURA

Angelidaki I.,Ellegaard L., KicerAhring, B., Applications of the anaerobic digestion process, Adv. biochem eng. Biot. vol. 82, Editor: T. Scheper, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2003.

Appels L., Baeyens J., Degrève J., Dewil R.,34

Principles and potential of the anaerobic digestion of waste-activated sludge, Prog. Energy. Combust. (2008) 755-781.

Baras J., Gaćeša S. Pejin D., Ethanol is a strategic raw material, Hem. Ind, 56 (2002) 89–105.

BeMiller J.N., Acid-catalyzed hydrolysis of glycosides, Adv. Carbohyd. Chem. 22 (1967) 25-108.

Bournay L., Casanave D., Delfort B., Hillion G., Chodorge J.A., New heterogeneous process for biodiesel production: A way to improve the quality and the value of the crude glycerin produced by biodiesel plants, Catal. Today 106 (2005) 190-192.

Cakic M., Veljković V, Lazić M., Savić D, Nikolić G., Todorović Z., Zavargo Z, Europien Union Oriented Environmental Managenent Courses, Tehnološki fakultet, Leskovac, 2008

Cakić M., Fizička hemija I deo, Tehnološki fakultet Leskovac, 1995.

Chaplin M.F., Bucke C., The use of enzymes in starch hydrolysis, Enzyme techology, Cambridge University Press, Cambridge, 1990.

European biodiesel board EBB <http://www. ebb-eu.org > (25.4. 2011).

Glišić S., Lukić I., Skala D., Biodiesel synthesis at high pressure and temperature: Analysis of energy consumption on industrial scale, Bioresour. Technol. 100 (2009) 6347-6354.

http://web.zpr.fer.hr/ergonomija/2004/habjanac/Slike/sunce_fokus_dish.jpg, (14.07.2011).

http://www.centrala.org.rs./knjiga%20oliber%perpetum/05Energija-zemlje-geotermal-energz.pdf (30.08.2011))

http://www.ekapija.com/website/sr/page/299299(10.32011)

http://www.geog.pmf.hr./e-skola/geo/mini/obnov-izvori-energ-/solarna-en.html, (18.02.2011)

http://www.geotempus.co.rs/nacini rada toplotne pumpe.html (15.07.2011)

http://www.gtz.de/de/dokumente/en-biogas-volume1.pdf (24.4.2011)

http://www.ikim.gov.my/v5/index.php?1g=1&opt=com_article&grp=2&sec=&key=1233&cmd=resetall (20.3.2011).

http://www.i-sis.org.uk/BiogasChina.php (15.4.2011)

http://www.izvori energije.com/energija-sunca.html (18.02.2011)

http://www.izvorienergije.com/uvod u izvore energije.html, (15.07 2011)

http://www.mem.gov.rs/(15.3.2011)

99

Zaldivar, J., Nielsen, J., Olsson, L., Fuel ethanol production from lignocellulose: a challenge for metabolic engineering and process integration, Appl. Microbiol. Biotechnol. 56 (2001) 17–34.

Zlatanović M. Određivanje potencijala energije vetra u delimično brdovitim području vjetroparka Sušara, Međunarodni naučni skup, Obnovljivi izvori energije i održivi razvoj, Izvodi radova, Banja Luka 2011.

Zlomušica E. Energija vetra-stanje, perspektive, specifičnosti, Međunarodni naučni skup, Obnovljivi izvori energije i održivi razvoj, Izvodi radova, Banja Luka 2011 Apstract This chapter (4) describes the renewable energy sources: energy of surrounding, geothermal energy, Wind energy and Solar energy and biofuells. In the first part the basic of energy are given, also the classification and definition of energy sources. The renewable energy sources have an increasing share of the total energy mix, because they have advantages over non-renewable. Energy of surrounding (land, water and air) is used for heating by heat pumps. In the part 4.2. the geothermal energy are describes. Geothermal energy has great potential for heating and electrical energy productions. There are two systems for heating (horizontal and vertical). For electrical energy productions several systems are applied: dry system, flash stream and binary cycle, and they are described. The benefits and disadvantages of geothermal energy are discussed, and state of this energy in WB Countries. The Wind energy is practically clean energy. Wind energy is used for conversion in the mechanical energy or for electricity production using the wind power. The wind power may be different strings and structures, onshore or offshore wind farms. They may be two or three blades. They can be horizontal or vertical in the relation of the position of rotor axis rotation and wind directions. The main drawback is the lack of suitable locations and noise. The WB countries have a huge wind potentials, bat they haven’t electricity production by energy of wind. The Solar energy is also clean energy, and they can be used for heating (solar collectors), or for electricity productions. Electricity is produced by the photovoltaic cells, a huge number of them is photovoltaic farms or solar stations. In Solar station the Solar energy are focused with reflections table and can be used for heating of fluid (water) and vapor productions, which can be used for electricity productions by turbines. Basic lack of use of Solar energy is a good insolations. In the WB countries the Solar energy is mostly used for heating, and they haven’t the Solar Farms. In next part are biofuells descreibt. For many years liquid fossil fuels have been dominant fuels for motor vehicles and machinery in building construction, industry, agriculture, etc.. Fossil diesel is most frequently used due to high thermal capacity, simple exploatation and manipulation and possibilities for further processing. A decrease in the world oil supplies and the instability of great exporting regions caused the increase of the price for both fossil fuel and its derivatives. Apart from that, high quantities of CO2, which is the basic cause of global warming, are emitted by fossil fuel combustion. For ecological and economic reasons, the obtaining of alternative fuels is seriously considered. Most promising alternative fuels are

100

biofuels or fuels derived from biomass. Biomass is suitable for the production of solid, liquid and gaseous biofuels contributing to energy efficiency and sustainability because it is the “reservoir” of solar energy. Biofuels used worldwide are biodiesel, bioethanol and biogas. This chapter presents the review of commonly used feedstock and the technological processes of their production, the influence of some operating and reaction conditions on the production processes, the development of new and possibilities for improving the existing processes as well as advantages and disadvantages of their use. The most commonly used technologies for their industrial production are emphasized, and well known world’s factory plants are listed. Also, EU legislation in this area and the current state and perspectives of their production (especially in West Balcans countries) are pointed out.