Автор: С.Д. Васильев, Л.Н. Гусева, А. Ойечоке, М.Н. Шафоростова
Источник: Четвертая региональная конференция «комплексное использование природных ресурсов».
Биогаз - это газ, получаемый в результате метанового брожения биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием трех видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид - бактерии гидролизные, второй - кислотоутворючи, третий - метанобразующих. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида.
Состав биогаза - 55-75% метана, 25-45% CO2, незначительные примеси H2 и H2S. После очистки биогаза от СО2 получается биометан. Биометан - полный аналог природного газа, отличие только в происхождении.
Сырьем для получения биогаза: органические отходы: навоз, зерновая и меласна послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбных и убойных цехов, трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов - лактоза, молочная сыворотка, отходы производства биодизеля - технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков - гнет фруктовый, ягодный, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки - мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов - очистки, шкурки, гнилые клубни.
Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 30-50 м ? биогаза с содержанием метана 60%, 150-500 м3 биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70%. Максимальное количество биогаза - это 1300 м3 с содержанием метана до 87% - можно получить из жира.
В биогазовых расчетах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Вода, содержащаяся в биомассе, не дает газа. Из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 л биогаза.
Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфия. Выход газа может достигать до 500 м3 с тонны.
Человечество научилось использовать биогаз давно. В 2 тысячелетии до н.э. на территории современной Германии уже существовали примитивные биогазовые установки. В XVII веке Ян Баптист Ван Гельмонт обнаружил, что биомасса выделяет газы воспламеняются. Алессандро Вольта в 1776 году пришел к выводу о существовании зависимости между количеством биомассы, диван и количеством газа удаляется. В 1808 сэр Хэмфри Дэви обнаружил метан в биогазе.
Первая задокументированная биогазовая установка была построена в Бомбее, (Индия) в 1859 г. В 1895 биогаз применялся в Великобритании для уличного освещения. В 1930 г., с развитием микробиологии, были обнаружены бактерии, участвующие в процессе производства биогаза.
Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Переработанный навоз применяется как удобрение в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.
Метан влияет на парниковый эффект в 21 раз сильнее, чем чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Интересы метана - лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления.
Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60 разновидностей технологий получения биогаза. Самый распространенный метод - анаэробное брожение в метатанках или анаэробных колоннах. Часть энергии, получаемой в результате сжигания биогаза, направляется на поддержку процесса (до 15-20% зимой). В странах с жарким климатом нет необходимости подогревать метантанк. Бактерии перерабатывают биомассу в метан при температуре от 25 ° С до 70 ° С.
Для брожения некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двухстадийна технология. Например, птичий помет, спиртовая барда не перерабатываются в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходимо дополнительно реактор гидролиза. Такой реактор позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей. Получение биогаза экономически оправдано при переработке постоянного потока отходов, например на животноводческих фермах.
Наибольшее количество малых биогазовых установок находится в Китае - в конце 2006 года действовало около 18 млн. Их применение позволяет заменить 10900000 тонн условного топлива. Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании - биогаз занимает до 18% в ее общем энергобалансе. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия - 8000 тыс. шт. В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом.
Применение биогаза разнообразное. Биогаз используется топливо для когенерационных установок. Когенерационные установки представляют собой оборудование для комбинированного производства тепла и электроэнергии. B установках малой мощности применяются преимущественно поршневые двигатели внутреннего сгорания, приспособленные для сжигания газового топлива.
Главным топливом является природный газ, но все чаще применяются и альтернативные виды топлива, прежде всего различные виды биогаза. Биогаз можно использовать с биогазовых станций, построенных возле водоочистных станций, свалок коммунальных отходов или в земледельческих организациях, специализирующихся в животноводческом производстве.
В 2001 году потенциал биомассы, доступной для производства энергии, составлял в Украине 10,6 млн. т.у.т. / Год (консервативная оценка), включая: солому зерновых культур - 3,63; кукурузу (вилки и стебли) - 1,19; стебли и шелуху подсолнечника - 2,31; биогаз из навоза - 1,59; отходы древесины - 1,59; свалочного газа (биогаз из полигонов твердых бытовых уходе) - 0,3 млн. т.у.т. / год. Это составляет около 5,3% потребления первичных энергоносителей в Украине, без учета энергетического потенциала ТБО (за счет сжигания), сточных вод, а также доли биомассы, используемой в других секторах экономики.
Большинство биоэнергетических технологий экономически рентабельно для применения в Украине уже сегодня. Наиболее перспективной стратегией развития биоэнергетических технологий в Украине, по крайней мере, на первом этапе представляется выпуск соответствующего лицензированного европейского и другого зарубежного оборудования на промышленных предприятиях Украины.
В случае реализации концепции внедрения биогазового оборудования суммарная установленная мощность будет составлять 9071 МВтт и 415 МВтэ. Это приведет к замещению 6700000 т у.т. / Год и снижение выбросов СО2 на 34 млн т / год. Развитие биоэнергетических технологий уменьшит зависимость Украины от импортированных энергоносителей, повысит ее энергетическую безопасность, создаст значительное количество новых рабочих мест (преимущественно в сельских районах), внесет большой вклад в улучшение экологической ситуации.
Для того, чтобы когенерационная установка могла работать на биогазе с заложенным экономическим эффектом, нужно уточнить свойства биогаза. Они решающим фактором для его применения с точки зрения вредных веществ и энергетического содержания (теплотворности). Важным считается следующая информация: содержание метана (лучше полный состав газа), постоянство качества газа, содержание вредных веществ. Объем газа улавливается, влияет на выбор типа когенерационной установки.
Если есть возможность присоединения к газопроводу, можно использовать двухпаливну когенерационную установку для комбинированного использования как природного газа, так и биогаза (переключение топлива). Это выгодно при нерегулярном объеме подаваемого биогаза. При низком качестве биогаза можно его обогатить смешиванием с природным газом.
Предъявляются определенные требования к способу работы когенерационной установки, а именно будет ли она работать параллельно с сетью или будет целесообразно использовать ее и как аварийный источник электроэнергии, или эксплуатировать ее в автономном режиме.
Свойства биогаза является одним из главных параметров, которые влияют на пригодность его использования в качестве топлива для двигателя когенерационной установки. Некоторые свойства могут значительно повысить цену всего проекта, или сделать его невозможным. К оценке биогаза следует приступать с полной ответственностью. При его оценке следует знать следующие свойства:
- содержание метана CH4 - нормальный (55-65%), минимальным считается 50% концентрация;
- давление биогаза - давление при сжигании в когенерационной установке находится в пределах от 1,5 до 10 кПа;
- постоянство качества газа (константный состав и давление биогаза) - влияет на стабильность работы и количество эмиссий, выпускаемых;
содержание вредных веществ (прежде соединений серы, фтора и хлора) - эти соединения могут вызвать коррозию компонентов всасывающего тракта и внутренних частей двигателя, соприкасающихся с маслом. При более высоком содержании серы целесообразно устанавливать сероочистки.
Hа ряду с производством тепла при сжигании биогаза, например, в котлах, когенерация предлагает и возможность производства электрической энергии, можно использовать для собственных нужд объекта или продавать в общую распределительную сеть. Производство электроэнергии для собственных нужд так приходится значительно дешевле по сравнению с покупкой его от сети в случае ее продажи можно воспользоваться выгодными тарифами для электроэнергии, произведенной из возобновляемых источников энергии. Поскольку биогаз является сопроводительным продуктом при переработке органических отходов, затраты по эксплуатации установки будут связаны только с отчислениями на оборудование и на сервисное обслуживание. Доходы будут обчислятися как сумма средств, сэкономили на покупке теплоэнергии и электроэнергии, а также средств, будем получать от продажи электричества в сеть.
Как вывод можно сказать следующее. В связи с достаточно высоким содержанием энергии, биогаз можно использовать как энергоноситель для производства электроэнергии и тепла. Содержание энергии в биогазе зависит от количества метана. С 1 м2 метана можно получить почти 10 кВт-час электроэнергии. Если предположить, что в биогазе содержится 60% метана, то с 1 м2 биогаза можно получить около 6 кВт-час электроэнергии.
Биологическое образование метана - это натуральный природный процесс, протекающий везде, где во влажной, без доступа кислорода, среде под действием метанобразующих бактерий разлагается органический материал (например, в желудочном тракте жвачных животных, компостных ямах или на рисовых полях).
Использование вторичных источников энергии является главным резервом сохранения энергии и главным образом это применение энергосберегающих технологий.
К вышесказанному хотелось бы добавить, что проблема энергосбережения является комплексной и включает целый ряд задач. Поэтому попытки решать отдельные вопросы обособленно зачастую не приводят к хорошему результату. Только рассмотрение их комплексно позволит достичь необходимого эффекта.
Конечно же все мероприятия по энергосбережению должны проводиться на разных уровнях их реализации. И первый уровень включает мероприятия, которые зависят от работников хозяйств, и выражаются в поддержке технических параметров машин и оборудования в процессе эксплуатации на уровне их значений в соответствии со стандартами на их изготовление.
Наряду с производством тепловой и электрической энергии биогаз может использоваться альтернативно и в других целях. На биогазе работают автобусы в Швейцарии. В качестве топлива биогаз используется для производства электроэнергии, тепла или пара. В Индии, Непале и Вьетнаме строят малые биогазовые установки (для одной семьи). Полученный в них газ используется для приготовления пищи. Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, есть падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки.
1. Благутина В.В. Биоресурсы // Химия и жизнь - 2007. - №1. - С. 36-39
2. Малофеев В.М. Биотехнология и охрана окружающей среды: Учебное пособие. - М.: Издательство Арктос, 1998. - 188 с.
3. Мариненко Е.Е. Основы получения и использования биотоплива для решения вопросов энергосбережения и охраны окружающей среды в жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве: Учебное пособие. - Волгоград: ВолгГАСА, 2003. - 100 с.
4. Стребков Д.С., Ковалев А.А. Биогазовые установки для обработки отходов животноводства. // Техника и оборудование для села - 2006. - №11. - С.28-30