IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Одной из особенностей современного развития является повышенное внимание мирового сообщества к проблемам рациональности и эффективности использования энергоресурсов, внедрения технологий энерго- и ресурсосбережения и поиска возобновляемых источников энергии.

Сегодня развитие возобновляемой энергетики в мире приняло ускоренный характер. С одной стороны, это связано с ограниченностью геологических запасов основных видов топливных ресурсов – нефти и газа, что приводит к неизбежному росту цен на них. С другой стороны, с ростом негативного влияния экологических факторов, вызванных последствиями жизнедеятельности человека.

Основной экологический ущерб, связанный с глобальным изменением климата Земли, – парниковым эффектом, наносят, главным образом, добыча, переработка и сжигание ископаемых видов топлива – угля, нефти и газа. Парниковый эффект составляет до 75% доли антропогенного экологического ущерба. В этой связи удовлетворение нарастающих потребностей населения мира в топливе, электрической и тепловой энергии одновременно с обеспечением экологической безопасности обуславливает необходимость развития возобновляемой энергетики, ведь нефть – не единственное сырье для получения высокооктановой органики для двигателей.

Биотопливо занимает особое место в структуре возобновляемых источников энергии. Будучи одним из немногих видов альтернативного топлива в транспортном секторе, биотопливо рассматривается в качестве важного ресурса при выборе источников энергии и обеспечения энергетической безопасности, развития сельского хозяйства и сельских районов, а также для смягчения последствий изменения климата путем сокращения выбросов парниковых газов.

Биотопливо – топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов.

Различают несколько видов биотоплива:

1. Жидкое – биоэтанол, биодизель.

2. Твердое – дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга.

3. Газообразное – биогаз, биоводород.

Однако, в связи с ориентацией современной экономики на развитие энерго- и ресурсосберегающих технологий наиболее перспективным направлением в производстве биотоплива является производство биогаза.

Биогаз – это газ, получаемый с помощью анаэробного метанового брожения биомассы. В качестве биомассы могут использоваться отходы сельскохозяйственного и промышленного производства, бытовой деятельности, а также числе сточные воды.

Наибольшей экономической эффективности можно достичь при реализации биогазовых технологий, направленных на решение энергетической, агрохимической и экологической задач. В этом случае основным сырьем для получения биогаза являются отходы сельскохозяйственной промышленности.

Получение и использование биогаза относится к инновационной энергетике, энерго- и ресурсосберегающим и природоохранным технологиям. О приоритетности подобных технологий говорится в Энергетической стратегии России.

В работе рассмотриваются история изучения биогаза, опыт его производства и применения в разных странах, его характеристики, технология производства, а также перспективы применения в России.

Основные сведения о биогазе

Биогаз – общее название горючей газовой смеси, получаемой при разложении органических субстанций в результате анаэробного микробиологического процесса (метанового брожения). Его основные компоненты: метан (СН₄) – 55-65% и углекислый газ (СО₂) – 35-45%, а также в очень малых количествах, около 1%, другие газы, например – водород (H₂) и сероводород (Н₂S). Средняя теплота сгорания биогаза, содержащего около 60% метана, равна 22МДж/м³. Поскольку горючая часть биогаза состоит из метана (температура воспламенения метана около 645°С), его причисляют к семейству природных газов.

В зависимости от биомассы используемой для производства биогаза можно выделить следующие его виды:

1. Газ метантенков, получаемый на городских канализационных очистных сооружениях (БГ КОС);

2. Биогаз, получаемый в биогазовых установках при сбраживании отходов сельскохозяйственных производств (БГ СХП);

3. Биогаз, получаемый на полигонах отходов, содержащих органические компоненты (БГ ТБО).

Состав и количество биогаза не являются постоянными и зависят от вида перерабатываемого субстрата и от технологии производства биогаза. Усредненный состав биогазов в соответствии с приведенной классификацией представлен в табл. 1.

Таблица 1 Классификация и состав биогаза

Компоненты биогаза	Содержание компонентов, % об.
	БГ КОС	БГ СХП	БГ ТБО
CH4	60-65	55-75	35-80
СО2	16-34	27-44	0-34
N2	0-3	0-3	0-82
О2	-	-	0-31,6
Н2	-	0,01-0,02	0-3,6
СО	-	0,01-0,02	2,8
H2S	-	до 1,0	0-70 ррт

Газ метантенков городских канализационных очистных сооружений характеризуется более стабильным составом. Содержание основного горючего компонента – метана – на разных очистных сооружениях изменяется от 60 до 65% по объему. Более значительные колебания состава газа наблюдаются при переработке отходов сельскохозяйственного производства, при этом в газе присутствует некоторое довольно значительное количество сероводорода. Поэтому перед использованием требуется очистка газа от H₂S.

Процессы образования первых двух видов биогаза протекают в стационарных устройствах. Технологические параметры процесса (расход и влажность субстрата, температура брожения, длительность сбраживания) более или менее управляемы. Иная ситуация наблюдается на полигонах и свалках отходов, где биологическое разложение слоев мусора происходит с течением времени (пригодный к использованию биогаз образуется примерно через 10-15 лет), причем процесс газообразования неуправляем. Для сбора газа бурятся скважины или газовые колодцы. Конструкция и способ эксплуатации скважины, содержание влаги в толще отходов оказывают дополнительное влияние на состав газа. Содержание метана в газе может изменяться в широких пределах (35-80 %). Помимо метана и балластных азота и углекислого газа могут присутствовать сернистые соединения, меркаптаны, галогенсодержащие соединения, ароматические углеводороды (всего более 100 компонентов).

В среднем 1 тонна навоза или другой биомассы, подвергаемой метановому сбраживанию, дает около 500 м³ биогаза, что эквивалентно 350 л бензина, иногда дают отдельные цифры выхода биогаза из навоза (200–300 м³) и растительной биомассы (300–630 м³). В целом выход биогаза из разного сырья сильно колеблется (табл. 2).

Таблица 2 Влияние вида исходного сырья на выход биогаза

Исходное сырье	Выход биогаза из 1 кг сухого вещества, м3/кг	Содержание метана в газе, %
Трава	630	70
Древесная листва	220	59
Сосновая игла	370	69
Ботва картофельная	420	60
Мякина	615	62
Солома пшеничная	340	58
Шелуха подсолнечника	300	60
Навоз крупного рогатого скота	200-300	60
Конский навоз с соломой	250	56-60
Бытовые отходы и мусор	600	50
Фекальные осадки	250-310	60
Твердый осадок сточных вод	570	70

Теплотворная способность биогаза 22-24 МДж/м³, или 5500 ккал/м³. Один кубометр биогаза эквивалентен 0,6 м³ природного газа, 0,7 л мазута, 0,4 л бензина, 3,5 кг дров.

История изучения биогаза

Были известны отдельные случаи использования биогаза уже до н.э. в Индии, Персии, Ассирии. Научные исследования биогаза и его свойств начались лишь в XVIII веке. В 1764 г. Бенджамин Франклин описал эксперимент, в котором ему удалось поджечь поверхность заболоченного озера. После установления наличия метана в болотном газе и открытия его химической формулы европейские ученые предприняли первые шаги в изучении области практического применения биогаза.

Русский ученый Попов С.В. в 1875 г. изучил влияние температуры на количество выделяемого газа. Было установлено, что уже при температуре в 6°C речные отложения начинают выделять биогаз, а с ростом температуры его объемы увеличиваются.

В 1881 г. европейские ученые провели ряд опытов по использованию биогаза при отоплении помещений и освещения улиц. С 1895 г. в английском городе Эксетер уличные фонари заправлялись газом, получаемом в результате брожения сточных вод. В Бомбее газ собирался в коллекторы и использовался как топливо в различных двигателях.

Немецкие ученые в 1914-1921 гг. усовершенствовали процесс получения биогаза, что заключалось в использовании постоянного подогрева емкостей с сырьем. Во время Первой мировой войны возникла значительная нехватка топлива, что подтолкнуло к распространению биогазовых установок по Европе.

Одним из важнейших этапов в развитии биогазовых технологий явились эксперименты по комбинированию различных видов сырья для установок в 30-х гг. XX века.

В 1911 г. в Бирмингеме был построен завод для обеззараживания сточных вод города, а вырабатываемый биогаз использовался для производства электроэнергии.

Во время Второй мировой войны для пополнения быстро истощающихся запасов энергоносителей в Германии велись разработки на получение биогаза из навоза. Во Франции в это время в эксплуатации находилось около 2 тыс. установок по производству биогаза, их опыт распространялся и в соседние страны. В Венгрии, например, как отмечали советские солдаты, освобождавшие страну, навоз не сваливали в кучи, а загружали в специальные ёмкости, из которых получали горючий газ.

После войны дешевые энергоносители (природный газ, жидкое топливо) вытеснили установки. К ним возвратились лишь в 1970-х гг. после энергетического кризиса. В странах юго-восточной Азии с высокой плотностью населения, теплым климатом, необходимым для эффективной эксплуатации установок, в основу национальных программ легли разработки биогазовых установок.

В 1930-х гг. в США была построена и с успехом эксплуатировалась биогазовая установка по переработке животноводческих отходов. В 1954 г. в Форт-Додже построили первый завод по переработке коммунальных отходов. Сейчас США имеет несколько сотен крупных биогазовых установок по переработке отходов животноводства и утилизации сточных вод. Биогаз с установок используется для отопления домов и теплиц и для получения электричества.

Современный мировой опыт производства и применения биогаза

На сегодняшний день биогазовые технологии стали стандартом очистки сточных вод, переработки отходов во многих странах мира.

Мировой рынок биогаза имеет стойкую тенденцию к увеличению. США, Европейский союз, Китай, Индия, Бразилия являются лидерами по производству биогаза. Постепенно разворачивают деятельность в данном направлении страны ближнего зарубежья.

Европейский союз (ЕС)

В ЕС принят «закон о мусорных свалках» – «Landfill Directive», согласно которому ужесточается контроль над деятельностью лиц, ответственных за хранение и переработку мусорных свалок в связи с их вкладом в парниковый эффект. Поэтому производство «лендфилл-газа» выделяется в особую статью. В ЕС также существует особый запрет на вывоз органических отходов на свалки.

В таких странах, как Швеция, Финляндия, Австрия, в которых государство стимулирует использование биогаза (государство выкупает электроэнергию по «зеленому тарифу»), на долю производства энергии из него приходится 15-20%. Биогаз идет на производство тепла и электричества.

Швеция как один из последовательных адептов экологически сберегающих технологий создала в 2005 году первый в мире поезд на биогазе. Он приводится в движение двумя двигателями, работающими на биогазе (такие же силовые установки установлены и на 779 шведских автобусах).

По данным 2005 г., в Швеции работало 233 завода по производству биогаза. В январе 2007 г. сдан в эксплуатацию крупный завод в Норрчепинге. Это уникальный для Швеции завод, построенный компанией «Шведский биогаз». Он использует в качестве сырья обмолотки и отруби (поставляются фермами) и остаточные продукты от производства биоэтанола. Первая очередь производит свыше 1,5 млн. нм³ в год, а в перспективе – 4 млн. нм³.

Уже сейчас 5% шведского транспорта переведено на биогаз. Предусмотрены многочисленные льготы для экологически чистых транспортных средств, в том числе работающих на биогазе.

Германия относится к числу лидирующих стран по производству биогаза. В ней функционируют более 400 биогазовых установок по переработке сельскохозяйственных отходов с объемом метантанка 600–800 м³. В конце 90-х годов в Германии было построено 8 централизованных биозаводов (их суммарная емкость составляла 190 тыс. м3). Имеются прогнозы, согласно которым эта страна может за счет биогаза закрыть 11% общего потребления газа. Ее потенциал производства энергии из биогаза к 2020 г. оценивается в 112 млн. тонн биомассы, что позволит выработать энергию 39,8 кВтч/год.

Сходные цифры по биогазовому потенциалу приводятся для Франции: 251 млн. тонн биомассы – 42,7 кВтч/год, для Великобритании: 155,4 млн. тонн биомассы – 26,3 кВтч/год. Хорошие перспективы здесь и у италии, испании, Нидерландов, Дании, Бельгии, австрии, Швеции.

В Великобритании на правительственном уровне принято решение о переводе 40% котельных на биогаз, для чего в течение пяти лет ежегодно будет выделяться по 10–20 млн. фунтов стерлингов.

США

В США производство биогаза поддерживается законодательно на федеральном уровне и уровне штатов. Приняты соответствующие программы, активен бизнес. имеется закон 2002 Farm Bill. В США регулируется также деятельность, связанная с мусорными свалками. Согласно «United States Clean Air Act» (1987) и главе 40 Кодекса федерального регулирования («Code of Federal Regulations») собственникам мусорных свалок предписано оценивать количество выделяющихся неметановых органических веществ (НМОВ). Если количество выделяемых НМОВ превышает 50 тонн в год, то собственник обязан собирать «лендфилл-газ» (от англ. «landfill» – «мусорная свалка») и, как правило, сжигать. Отдаленность мусорных свалок делает экономически невыгодным производить электричество из биогаза.

Существенным моментом является тщательная проработка финансовых вопросов. Для этих целей служат федеральные программы и программы штатов, в которых используются механизмы выделения грантов, займов, налоговых кредитов («tax credit») и освобождения от налогов, прогрессивной системы оплаты («productive incentives»).

Имеется федеральная программа по биогазу AgSTAR, субсидируемая Федеральным агентством по защите окружающей среды, Министерством сельского хозяйства и Министерством энергетики, а также многие другие программы, финансируемые их федеральных источников.

На уровне практически всех штатов приняты программы по биогазу, на которые выделяются большие средства. Так, например, в штате Калифорния действует Self-Generation Incentive Program, на которую в 2004 году было выделено 100 млн. долларов. В этом же штате функционируют еще 3 программы по биогазу (в том числе California’s Dairy Power Production Program – DPPP) с общим финансированием более 15 млн. долларов. На региональную программу штатов Мичиган, Миннесота, северная и Южная Дакота, Висконсин, сформированную в 1999 г., было выделено 16 млн. долларов на 19 проектов по возобновляемой энергии, из них 7 – по биомассе.

Биогаз дает 8% электрической энергии, произведенной из возобновляемого сырья в США (данные 2006 г.). Лендфилл-газ в 2005 г. составлял 24% от всего количества метана (его производили более 350 заводов).

Больше всего биогазовых фермерских установок находится в Калифорнии, Пенсильвании, Висконсине и Нью-Йорке.

Приведенные данные свидетельствуют о широкомасштабной поддержке производства биогаза в СШа.

Китай

В Китае первые биогазовые установки появились в зажиточных хозяйствах в 1940-х гг. С 1970-х гг. ведется серьезная исследовательская работа по биогазовым установкам при поддержке правительства. На сегодняшний день Китай мировой лидер по внедрению технологий производства биогаза в сельских районах. Более 31 млн. семей пользуются биогазом, эта цифра постоянно растет. Типичная китайская установка имеет объем около 6-8 м³, производит 300 м³ газа в год и стоит примерно $200-250. С 2002 года правительство инвестирует в развитие биогазовых установок ежегодно около 200 млн. долларов. Примерно 50% стоимости установки компенсируется государством.

К концу 2006 года в Китае действовало 17 млн. биогазовых установок с годовым производством 6,5 млрд. м³, что позволяет заменять около 10 млн. тонн условного топлива и обеспечивать им 50 млн. человек.

В настоящее время ставится задача достичь к 2020 году уровня 25 млрд. м3 биогаза в год, что даст возможность обеспечить им 300 млн. человек. Кстати, к этому же времени в Китае планируется потреблять ежегодно 10 млн. т биоэтанола и 2 млн. т биодизеля.

Индия

В Индии еще в 1859 году была построена биогазовая установка в колонии больных проказой для переработки жидких и твердых отходов. В 1970-х гг. при государственной поддержке произошел рост количества установок. В данный момент в стране работает около 3,7 млн установок, с развитием отрасли правительство предоставляло субсидии для их строительства и эксплуатации, обучения фермеров, открытия и работы сервисных центров.

Ближнее зарубежье

В Украине пока большие преференции в области биотоплива отдаются биодизелю и биоэтанолу. Производство биогаза не поставлено на высокий уровень, несмотря на большой потенциал, который отмечали представители Европарламента.

Казахстан проявляет интерес к данной проблеме, однако дальше пилотных и демонстрационных проектов пока дело не идет. Имеется инициатива Карагандинского областного экологического музея, который с 2000 года выполняет проект, профинансированный Глобальным экологическим фондом в рамках Программы развития ООН и фондом HIVOS (Нидерланды).

Республика Беларусь имеет собственный проект, принятый на уровне Правительства РБ. Он осуществляется под эгидой Программы развития ООН (Глобальный экологический фонд). В качестве прототипа взята готовая программа с проработанной документацией Федеральной земли Штирия ФРГ. Курируют этот проект специалисты из Германии и Австрии.

Грузия также имеет свою программу развития биогаза, которая разработана американскими специалистами.

В Кыргызстане разрабатывается государственная научно-техническая программа «Биоэнергетика», в рамках которой формируется направление, связанное с производством биогаза.

Россия

Начиная с 1940-х гг., в СССР проводились исследования биогаза. В 1948-1954 гг. была разработана и построена первая лабораторная установка по утилизации навоза от десяти коров, обеспечивавшая выход 1 м³ газа с 1 м³ реактора. Однако технология не получила широкого распространения. В связи с энергетическим кризисом в середине 1970-х гг. интерес к энергосберегающим технологиям возрос и в 1981 году при Госкомитете по науке и технике была создана специализированная секция по программе развития биогазовой отрасли, но из-за отсутствия материального обеспечения, многие мероприятия по освоению технологии анаэробной переработки биомассы так и не были реализованы. Тем не менее, было создано несколько установок опытного характера. Крупнейшим центром по разработке установок был Запорожский конструкторско-технологический институт сельскохозяйственного машиностроения. Завод построил 10 комплектов оборудования, однако, после распада страны из десяти установок три остались на Украине и в Белоруссии, пять — в Средней Азии, две — в России. Единственная установка, которая эксплуатировалась в Белоруссии, вырабатывала 400-500 куб.м газа в сутки из 50 куб.м навоза.

В настоящее время интерес к биогазовым установкам растет, чему способствует высокая стоимость энергоресурсов и удобрений, но слабая информированность и недостаточное финансирование со стороны государства не способствует распространению оборудования.

На территории России продуцируется до 14-15 млрд. т биомассы. По результатам исследований Института энергетической стратегии РФ общее количество органических отходов агропромышленного комплекса России в 2005 г. составило 225 млн. т (в расчете на сухое вещество).

Есть сведения, что в РФ работают 20 установок для получения биогаза на небольших фермах (до 30 голов крупного рогатого скота). Еще как пример приводят метантенк объемом 65 м3, установленный в 2002 г. в агрохозяйстве луховицкого района Московской области. Действуют и индивидуальные биогазовые установки на 50–200 кг органических отходов в день, позволяющие получать 2,5–12 м3 биогаза. Проявляют себя бизнес-структуры, предлагая на рынок небольшие биореакторы на 10–15 голов крупного рогатого скота (типа комплекса БУГ-1).

Между тем известно, по данным 90-х годов, что в российском животноводстве и птицеводстве образовывалось около 150 млн. тонн органических отходов. Были проведены расчеты, согласно которым можно получить из них около 60 млрд. м³ метана, при сжигании которого может быть выработано 190 млрд. кВтч электроэнергии. Кроме того, при этом вырабатывается 140 млн. тонн удобрений, отличающихся от навоза наличием связанных азота и фосфора, дегельминтацией, деконтаминацией микробами, семенами сорняков и другими полезными свойствами.

Есть прогнозы, что в России имеется потенциал для ежегодного производства биогаза в объеме 90 млрд. м³. Для этого могут послужить 300 млн. тонн органических отходов в сухом эквиваленте, из них: 250 млн. тонн – в сельскохозяйственном производстве, 50 млн. тонн – в виде бытового мусора.

При интенсивном подъеме сельскохозяйственного производства России через несколько лет общий объем производимых органических отходов может составить 675 млн. т (по сухому веществу), а потенциальное производство биогаза – 225 млрд. м³/год.

Технология производства биогаза

Производство биогаза – один из лучших способов борьбы с глобальным потеплением, поскольку происходит захват метана в изолированных от атмосферы емкостях.

Метановое брожение происходит в температурном диапазоне от 0 до 70°С (оптимально – 25-60°C). Поэтому в странах с жарким климатом (тропики, субтропики) создавать специальные установки не требуется, а надо лишь накапливать навоз в ямах под колпаком, осуществлять газоотвод, сбор и накопление биогаза в соответствующих емкостях. Такой подход широко реализуется в Индии, Индокитае, на юге Китая. Среднесуточная выработка биогаза на таких примитивных установках составляет 0,15–0,3 м³ на 1 м³ биореактора.

Общая схема производства биогаза довольно проста (рис. 1). Вначале сырье смешивается и измельчается до получения полужидкой гомогенной массы в приемном танке. Далее масса нагревается до 70°C не менее 1 часа с целью уничтожения бактерий. После охлаждения сырье перекачивается в автоклав (биореактор (метантанк), ферментатор), где оно подвергается анаэробному брожению при температуре 38°C. Процесс получения биогаза длится обычно около 1 месяца. существуют 2 режима брожения: мезофильный – 25-38°С (оптимальная температура, при которой работают мезофильные бактерии, – 37°C) и термофильный – 45-60°C (оптимальная температура, при которой работают термофильные бактерии, – 56°С). Для интенсификации брожения добавляют катализаторы (глюкозу и целлюлозу). Рекомендуется перемешивание субстрата в ферментаторе с целью предупреждения образования в верхней части слоя всплывающего вещества и корки (это улучшает технологический процесс и соответственно снижает энергозатраты). Биогаз под собственным давлением (не более 0,5 атм) через газовый штуцер и конденсатор (для удаления влаги) подается в газгольдер, откуда используется либо для сжигания в бытовых приборах, либо для производства электрической и тепловой энергии в когенерационной энергоустановке (см. рис. 2).

Рис. 1 – Схема биогазовой установки:

1 – ферма; 2 – навозоприемник; 3 – насос; 4 – биорекатор (метантенк); 5 – газгольдер; 6 – теплообменник; 7 – котел; 8 – хранилище удобрения

Рис. 2 – Схема биогазовой установки с когенерационным блоком

Полностью автономный, энергонезависимый биореактор потребляет 10–25% вырабатываемого газа для своих нужд. Это требуется для осуществления термостатирования и перемешивания. сброженная масса через штуцер удаления эвакуируется и накапливается в бункере-отстойнике.

Все известные биогазовые установки сходны по своему строению. Основными элементами установки являются: реактор для биомассы (метатенк), газгольдер, нагревательное устройство, устройство для перемешивания субстрата, система загрузки сырья (биомассы).

Биогазовые установки различаются по нескольким критериям: форме метатенков, способам перемешивания и подогрева биомассы.

Установки для производства биогаза по способам перемешивания и подогрева биомассы обычно подразделяют на четыре основных типа:

– без подвода тепла и без перемешивания сбраживаемой биомассы;

– без подвода тепла, но с перемешиванием сбраживаемой биомассы;

– с подводом тепла и с перемешиванием биомассы;

– с подводом тепла, с перемешиванием биомассы и со средствами контроля и управления процессом сбраживания.

Биореактор (метантенк) может быть разнообразной формы (см. рис. 4.3). Различают яйцевидные, цилиндрические с конусными верхней и нижней частями, резервуары, имеющие форму параллелепипеда, а также резервуары в виде вырытой в грунте траншеи. Каждый из этих видов имеет свои преимущества и недостатки, однако наиболее распространены цилиндрические биореакторы.

По техническому исполнению биогазовые установок также подразделяются на несколько типов схем: аккумулятивную, периодическую, непрерывную.

1. Аккумулятивная схема.

В ней предусматривается сбраживание биомассы в реакторах, которые служат одновременно и местом для хранения сброженного субстрата до его выгрузки. Исходное сырье постоянно подается в резервуар до его заполнения. Выгрузка сброженного субстрата производится один-два раза в год в период внесения удобрений в почву. При этом часть сброженного осадка специально оставляется в реакторе и служит затравочным материалом для последующего цикла сбраживания. Такие системы требуют больших объемов хранилищ и применяются очень редко.

2. Периодическая схема.

Предполагает разовую загрузку исходного сырья в реактор, подачу туда же затравочного материала и выгрузку сброженного продукта. Такая система характеризуется довольно большой трудоемкостью, очень неравномерным выходом газа и требует наличия не менее двух реакторов, резервуара для накопления исходного навоза и хранения сброженного субстрата.

3. Непрерывная схема.

В ней исходное сырье непрерывно или через определенные промежутки времени (1-10 раз в сутки) загружается в камеру сбраживания, откуда одновременно удаляется такое же количество сброженного осадка. Для интенсификации процесса сбраживания в реактор могут вноситься различные добавки, увеличивающие не только скорость реакции, но и выход и качество газа.

Рассмотрим каждую из составных частейбиогазовой установки.

1. Биореактор (метантенк).

Его отличительными чертами являются:

– полная герметичность без всякого газообмена и протечек жидкости через стенки;

– надежная теплоизоляция;

– стойкость к коррозии; при этом внутренняя часть камеры должна быть доступной для обслуживания, обязательны простые устройства для загрузки камеры навозом и ее опорожнения.

Биореакторы часто заглубляют в землю, что обеспечивает их хорошую теплоизоляцию и герметизацию. В бродильных камерах обязательно предусмотрена возможность надежной вентиляции.

2. Нагревательное устройство.

Подогрев в биореакторах с перемешивающими устройствами осуществляется с помощью шлангов, труб и других теплообменных устройств, через которые пропускают горячую воду. Температура последней в теплообменнике не превышает 60°С,так как более высокая температура вызывает налипание на поверхностном теплообменнике частиц биомассы.

3. Приспособление для перемешивания.

Для эффективной работы биореактора в нем предусматривается мешалка для перемешивания сбраживаемой массы и предотвращения образования корки. Конструкции мешалок разнообразны. Они бывают механическими (с ручным или электрическим приводом), а также гидравлического или пневматического действия.

4. Газгольдеры.

Эти аппараты выполняются в виде надстроек на бродильные камеры, а также отдельно стоящими, соединенными с бродильными камерами трубопроводами.

Производство биогаза на полигонах ТБО несколько отличается от производства биогаза из сельскохозяйственных отходов (СХО) и может рассматриваться как процесс получения метансодержащего газа по аккумулятивной схеме, в котором длительность процесса до полного разложения органической гораздо больше, чем в метатенках.

В отечественной практике системы утилизации биогаза на полигонах ТБО пока не получили широкого распространения, поэтому при дальнейшем рассмотрении конструктивных особенностей систем сбора и транспорта биогаза будет учитываться зарубежный опыт.

Система состоит из двух основных частей: газосборной сети, находящейся под разрежением, и распределительной сети потребителей биогаза, находящейся под избыточным низким или (реже) средним давлением.

Основные элементы системы:

1.Газовые коллекторы – это трубопроводы, проложенные в толще отходов, в которых создается разрежение. Как правило, они выполняются либо вертикально в виде газовых скважин, либо горизонтально в виде перфорированных трубопроводов, однако на практике применяются и другие формы (резервуары, гравийные или щебеночные камеры и др.).

2. Сборные газопроводы – это газопроводы, находящиеся под разрежением и ведущие к части сборных коллекторов. Для компенсации просадок они имеют гибкое присоединение к газовому коллектору, в узле присоединения располагаются контрольно-измерительные приборы (для измерения давления) и штуцеры для отбора проб газа.

3. Газосборный пункт.

В нем объединяются сборные газопроводы. Газосборный пункт выполненяется в виде трубы, резервуара и т.п. и размещается в низшей точке с целью обеспечения сбора и отвода выпадающего конденсата. В газосборном пункте размещаются контрольно-измерительные приборы и устройства автоматики.

4. Система отведения конденсата – это устройство на газопроводе для сбора и отвода конденсата в низшей точке системы трубопроводов. В зоне разрежения конденсат отводится через сифоны, в области избыточного давления – посредством регулируемых конденсатоотводчиков. Конденсат можно также отводить как в зоне разрежения, так и в зоне избыточного давления с помощью охлаждающего устройства.

5. Всасывающий трубопровод – это прямой участок трубопровода перед нагнетательным устройством, на котором также предусматриваются контрольно-измерительные приборы и устройства автоматики.

6. Нагнетательные устройства.

Они служат для создания разрежения, необходимого для транспорта газа из тела захоронения или для создания избыточного давления при транспортировании газа к месту использования (к факельной установке, к системе утилизации и т. п.).

7. Компрессорная установка.

Она служит для повышения избыточного давления газа.

8. Трубопроводы для транспорта газа – это система трубопроводов для отвода газа с полигона под избыточным давлением.

9. Факельная газовая установка – это устройство, необходимое для полного сжигания газа при отсутствии газопотребления, включая устройства автоматики безопасности и регулирования.

Для обеспечения достаточного сбора газа на полигонах выдвигаются следующие требования: создание эффективного разрежения в толще захоронения; минимизация подсосов воздуха; обеспечение долговременной работоспособности системы при механических и статических нагрузках; обеспечение возможности сбора газа при длительной эксплуатации полигона или свалки; увязка производительности системы дегазации с интенсивностью образования газа; возможность расширения системы.

Перспективы производства и применения биогаза в России

В нашей стране во многих населенных пунктах нет полного обеспечения природным газом. Биогазовые установки станут неплохим подспорьем в хозяйстве. К тому же сырьем для нее станет то, чего всегда в избытке: навоз, пищевые отходы, опавшая листва, сгнившее зерно, ботва и т.п., то, что обычно идет в компостную яму. При производстве спирта как побочный продукт получают послеспиртовую барду, из которой можно производить и биогаз и добавки с витамином B12 для применения в животноводческой отрасли, повышающие ее продуктивность. Поэтому производство биогаза особенно эффективно в агропромышленных комплексах, где обеспечивается практически замкнутый технологический цикл.

Биогаз можно накапливать, перекачивать, а излишки продавать.

При использовании биогаза в качестве топлива для транспортных средств устанавливается дополнительная система очистки биогаза. Очищенным биогазом можно заправлять технику, что очень актуально в настоящее время, в условиях постоянного роста цен на традиционные виды топлива, такие как бензин и дизельное топливо. Побочный продукт очистки – углекислый газ, от которого тоже можно получить некоторую прибыль – использовать как сухой лед, для газировки или в технических целях.

По статистическим данным в России общее количество органических отходов сельского хозяйства ежегодно составляет 300 млн т, из которых можно получить 90 млрд. м³ биогаза или около 150 млрд. кВтч электроэнергии. Большая часть отходов приходится на агропромышленный комплекс (АПК) – стебли, лузга, солома. При этом ежегодный ущерб от отходов агропромышленного комплекса оценивается в 450 млрд рублей. Например, загрязнение рек и озер сточными водами. По исследованиям, проведенным Институтом знергетической стратегии, до 50% производимой продукции приходится на крестьянские хозяйства. Таким образом, развитие биогазовой промышленности должно идти в двух направлениях: создание крупных биоэнергетических станций и создание фермерских биогазовых установок. К тому же, в России большая часть почв – это малоурожайные почвы, требующие интенсивного внесения удобрений, что также должно стимулировать развитие биогазовых установок, так как они дают эффективное удобрение.

Использование новых технологий позволит решить в сельской местности:

– проблему отходов;

– помочь в энергообеспечении;

– повысить плодородность почв и, соответственно, увеличить сбор урожая, что значительно увеличит рентабельность установок и сократит сроки окупаемости.

Для широкого распространения и популяризации биогазовых установок необходимы следующие факторы:

– низкая стоимость установок;

– полнота переработки сброженной массы и биогаза в наиболее ценные продукты;

– эксплуатационная надежность и простота в обслуживании;

– желание получить энергонезависимость;

– покупка государством излишков энергии по «зеленым тарифам», введение надбавок для производителей биоэнергии.

Стоимость биогазовой установки во многом определяется сложностью ее конструкции и отсутствием в ней оригинальных деталей. Несмотря на то, что биогазовый реактор является наибольшей частью установки, затраты на него не превышают 30% всех затрат на саму установку. Поэтому необходимо увеличивать эффективность переработки сырья и, как следствие, уменьшение объема реактора.

Помимо всего прочего, существует ряд проблем, заставляющих взглянуть на биогазовые технологии по-новому:

Во-первых, низкая плотность покрытия газовых и электрических распределительных сетей. По данным статистики, только 37% сельхозпроизводителей имеют доступ к газовым сетям и 20% – к тепловым. Такие условия снижают производительность внутреннего рынка, вынуждая импортировать сельхозпродукцию, и ограничивают развитие новых предприятий.

Во-вторых, отсутствие норм по утилизации отходов агропромышленного сектора приводит к проблемам окисления почв и застаиванию сельскохозяйственных земель, загрязнению подземных вод.

В-третьих, в сравнении с европейскими странами, например, Нидерландами, российский показатель внесения удобрений ниже на порядок: в Нидерландах – 600кг/га в год, в России – 50-60 кг/га в год. Соответственно, ниже урожайность и конкуренция с импортом. Потенциал нашей страны в производстве органических удобрений – 600 млн т.

Биоэнергетические установки выгодно строить:

1. Сельскохозяйственным предприятиям: свинофермам, птицефабрикам, фермам КРС, растениеводческим хозяйствам.

2. Перерабатывающим предприятиям: пивоваренным и спиртовым заводам, сахарным заводам, мясокомбинатам, молокозаводам, хлебобулочным, рыбным заводам, сокоперерабатывающим предприятиям.

3. Тепличным хозяйствам.

4. Коммунальным и очистным предприятиям.

При отсутствии отходов можно выращивать энергетические растения: кукурузу, козлятник, рапс, многолетние травы, водоросли. Себестоимость при этом будет выше по сравнению с сырьем в виде навоза, но и полученного биогаза будет минимум в три раза больше, чем из навоза.

Обычная биогазовая установка производит больше электроэнергии, чем ей нужно, следовательно, излишки можно продавать. Например, большая молочная ферма на 4 тыс. коров может производить 12 МВт электроэнергии в сутки, в то время, как на собственные потребности ей нужно всего 6-7 МВт. Остаток можно реализовать. Соответственно, владелец фирмы становится не только энергонезависимым, но и может получать доход. Если при строительстве животноводческого хозяйства не смонтировать биогазовую установку, то придется тянуть линии элекропередач, прокладывать газопровод, строить лагуны. Все это можно интегрировать в одну установку.

Сама биогазовая система потребляет около 10-15% от производимой энергии в холодное время и 3-7% – в теплое. Тепло, получаемое от установки, хватит на обогрев теплиц, коровника или свинофермы, на текущие нужды: получения пара, сушки соломы, семян, дров.

Биогазовые установки позволяют существенно сократить расходы хозяйства за счет очистки и утилизации отходов. Нет необходимости в строительстве навозных отстойников. Можно сэкономить средства, избежать штрафов за загрязнение грунтовых вод и эффективно использовать освободившиеся земельные участки.

Однако следует принять во внимание некоторые нюансы:

1. С помощью биогазовой установки с трудом можно «оздоровить» переживающее кризис предприятие. Она может поддержать рентабельность предприятия;

2. Вложения в биогазовую установку связаны с долгосрочными вложениями и затраты на строительство должно рассчитываться с учетом перспективы;

3. Для владельцев установок, зависящих от покупного сырья, важно правильно провести расчеты по долгосрочной поставке сырья. Также существует угроза нехватки земель для посадки сырьевых культур, когда их специально выращивают для установок;

4. Эксплуатация установки невозможна без постоянных профилактических работ и надзора за установкой. На эти мероприятия ежедневно нужно тратить минимум 1 час в день;

5. Установка наиболее рентабельна при эксплуатации ее, как дополнительного оборудования в хозяйстве.

В России в последнее время начали реализовываться локальные программы биогазового развития, в большей части по инициативе частных лиц. В 2009 году в Москве на Курьяновской станции аэрации запущена ТЭС, аналогичную станцию построят на Люберецких очистных сооружениях. Отдельные предприятия предлагают на рынок небольшие биоустановки, рассчитанные на 10-15 голов крупного рогатого скота. Однако без государственной поддержки и финансирования широкое внедрение и развитие биогазовых технологий невозможно. Обладая огромным потенциалом для производства 90 млрд куб.м биогаза в год из 250 млн тонн сельскохозяйственных отходов и 50 млн тонн бытового мусора, правительство не сформировало до сих пор целенаправленной политики по биотопливу вообще и по биогазу в частности на уровне современной науки и технологий, а также опыта западных стран.

Выводы

Суммарный энергетический потенциал отходов АПК Российской Федерации достигает 81 млн. т у. т. Если весь биогаз будет перерабатываться на когенерационных установках, то это позволит на 23% обеспечить суммарные потребности экономики в электроэнергии, на 15% – в тепловой энергии, на 14% – в природном газе, или полностью обеспечить доступность сельских районов к газу и тепловой мощности.

Отходы АПК, которые необходимо утилизировать, являются существенным энергетическим ресурсом, так как с разной степенью эффективности возможно получение биогаза почти из всех видов сельскохозяйственных отходов. Таким образом, развитие биогазовой энергетики – это не только возможное решение проблемы отходов, но и решение энергетических проблем и ресурсосбережения в сельском хозяйстве.

Биогазовая энергетика – это ещё и источник дешевых комплексных органических удобрений, которые образуются как субпродукт при производстве биогаза.

Биогазовая установка – надежная и экономически выгодная альтернатива магистральному природному газу и централизованному электроснабжению, независимость от растущих тарифов, от возможных сбоев в поставках газа и электроэнергии.

Биогазовые технологии повышают эффективность сельского хозяйства, обеспечивают развитие новых рентабельных отраслей (овощеводство, цветоводство, производство молочных продуктов с высокой добавленной стоимостью) благодаря доступности дешёвого тепла и электроэнергии и удобрений.

Получение и использование биогаза относится к инновационной энергетике, энерго- и ресурсосберегающим и природоохранным технологиям. Приоритетность подобных технологий особенно подчеркивается правительством страны.

Среди биотехнологий, применяемых для производства топлив и энергии, важное место занимают биогазовые технологии. В мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60 разновидностей биогазовых технологий. Их интенсивное внедрение в развитых и развивающихся странах, повышение эффективности и рентабельности внесли значительные изменения в переориентировку этих технологий от только энергетических к экологическим и агрохимическим (произ водство удобрений), особенно при переработке разнообразных органических отходов. Очевид но, это является решающей альтернативой для получения биогаза.

Опыт внедрения биоэнергетических установок за рубежом свидетельствует об ускоренном развитии этого направления, их совершенствовании.

Для широкого распространения биогазовой технологии особое значение имеют стоимость установки, удельная производительность, полнота переработки сброженной массы и биогаза в наиболее ценные продукты по сравнению с исходным сырьем, эффективность в решении задач, связанных с охраной окружающей среды, высокая эксплуатационная надежность и простота обслуживания.

Полученный биогаз может напрямую использоваться в когенерационных установках для получения электроэнергии и тепла, а после очистки от СО₂ – в качестве газового топлива для транспортных средств или для подачи в газовую сеть. Электрическая и тепловая энергии, полученная на основе использования биогаза, может быть использована для собственных нужд объекта или передана в общие распределительные сети.

Для успешного начала развития биогазовой энергетики в России необходимо:

– разработать федеральную программу развития биогазовой энергетики, принятие ее существенно облегчит финансирование проектов;

– реализовать несколько пилотных проектов в области биогазовых технологий, которые продемонстрируют наиболее эффективные подходы к использованию разных видов отходов (КРС, птицефабрик, пищевых отходов, ТБО, сточных вод) в качестве источника энергии, для их применения в будущем на территории всей страны;

– создать на базе одного из пилотных биогазовых проектов центра экспертного и инженерного консультирования для распространения наработанных решений по России:

– включить финансирование пилотных проектов создания биогазовых установок в экологическую федеральную целевую программу, а также региональные целевые программы;

– разработать комплекс мер по содействию привлечения финансирования в биогазовые проекты, включая ужесточение экологического контроля, а также контроля за использованием земель сельхозназначения;

– штрафы за нарушение экологических требований увязать с выплатой премий хозяйствам, активно внедряющим биогазовые технологии очистки окружающей среды;

– принять законодательную базу, стимулирующую выработку энергии из биогаза с помощью ее продажи в сеть с повышающим коэффициентом к действующим тарифам.

Постоянный рост цен на газ и электроэнергию значительно повышает экономическую привлекательность биогазовых проектов. В таких ценовых условиях предприятиям АПК и пищевой промышленности (с учётом российских расходов энергии на единицу продукции) будет невозможно обеспечить свою конкурентоспособность без комплекса мер по использованию ВИЭ и энергосбережения.

Список использованных источников

1. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика / Пер. с нем. и предисловие М.И. Серебряного. – М.: Колосс, 1982. – 148 с.

2. Василов Р.Г. Перспективы развития производства биотоплива в России. Сообщение 3: биогаз / Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А. Овчинникова. – 2007. – Т. 3. – № 3. – С. 54–61.

3. Тихонравов В. С. Ресурсосберегающие биотехнологии производства альтернативных видов топлива в животноводстве: науч. аналит. обзор. – М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2011. – 52 с.

4. 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.

5. Малофеев В.М. Биотехнология и охрана окружающей среды: Учебное пособие. – М.: Издательство Арктос, 1998. – 188 с.

Код для цитирования: Скопировать