Індивідуальна біогазова установка

 

Технології, використання відходів рослинництва і тваринництва для виробництва біогазу (біометану) описані докладно . Ці технології більш всього підходить для віддалених районів з низькою щільністю населення, енергозабезпечення якого пов’язано з високими витратами по доставці органічного палива та передачі електроенергії.

Крім цих технологій, можна використовувати в якості палива коров’ячий гній у висушеному вигляді, солому та стручки насіння для обігріву будинків. В даний час вони також відносяться до одного з видів поновлюваних паливно-енергетичних ресурсів — «інша біомаса».

Однак при природному сушінні гною в атмосферу виділяється чимало біометану і СО2, що призводить до забруднення навколишнього середовища та нераціонального використання відходів. Так, в США в даний час на відходи тваринництва припадає близько 8 % пов’язаних з діяльністю людини викидів біометану. Тому в США для зберігання тварин відходів часто використовуються криті ставки. При цьому для збору біогазу, що виділяється з відходів (як правило, при психофильном режимі) застосовується так звана плаваюча дах, вершина якої забезпечена клапаном та системою труб для відводу біогазу споживачеві. Особливості цієї біогазової технології докладно описані в роботі [7].

Розвиток мікробіологічної галузі анаеробного перетворення органічних речовин це актуальне завдання сьогодення. В залежності від конкретної обстановки на перший план може виходити пряме отримання енергії, економія енергії в процесі очищення органічних стоків, отримання вихідних відновлених речовин з відновлюваних джерел енергії (ВДЕ), одержання енергії у вигляді моторного палива, добрив тривалої дії.

Використання енергії з відновлюваних джерел представляється можливістю вирішення ряду глобальних і регіональних проблем, викликаних розвитком енергетики, заснованої на викопному паливі. Сучасне використання біомаси можна вважати використанням відновлюваних ресурсів тільки в тому випадку, якщо система забезпечує відповідне зростання врожаю.

Певні надії часто покладають на фотосинтез водоростей, які можуть рости значно швидше, ніж відбувається наземна вегетація. Однак для культивування водоростей потрібна концентрація вуглекислоти і створення установок, порівнянних по складності з гідропонікою. Оскільки остання дає харчову продукцію, вона, безперечно, буде мати пріоритет. Взагалі в альтернативі: їжа або паливо пріоритет повинен бути відданий їжі. Наочним прикладом служило розвиток гідролізної промисловості в СРСР, яка використала найбільш дешеву та доступну біомасу — лісові відходи.

Традиційна енергетика, заснована на газі, нафті, вугіллі, безсумнівно, призводить до вичерпування резервуара О2 швидше, ніж «зелене паливо», одночасно виробляє кисень, але вона не вимагає таких величезних площ і головне не конкурує з виробництвом їжі.

Тим не менш, аналіз можливостей «зеленого палива» як основного джерела енергії призводить до песимістичних висновків.

Оптимістичний прогноз виникає лише при розгляді можливостей анаеробного метаногенеза органічної сировини (відходів) як багатоцільового процесу. Цей процес, різко зменшує витрату енергії при переробці, здійснюється співтовариством мікроорганізмів, які здатні з найрізноманітніших органічних речовин (крім лігніну) утворювати суміш біометану з вуглекислотою, що отримала назву «біогаз».

Загальні схеми переробки біомаси представлені в монографії  .

Як відомо, режими біогазових технологій в залежності від температури поділяються на психофильный (15 – 20 ⁰ С), мезофільні (30 – 40 ⁰ С) і термофільний (52 – 56 ⁰ С). Анаеробна переробка органічних речовин, в біогазових реакторах являє собою складний процес. Він здійснюється в три етапи за участю цілого ряду мікроорганізмів. Спочатку група мікроорганізмів перетворить органічні речовини в форму, яку друга група мікроорганізмів використовують для вироблення органічних кислот. А потім біометан-виробляють анаеробні бактерії розкладають ці кислоти і завершують процес переробки.

Анаеробні бактерії здатні «перетравлювати» органічний матеріал у відсутності кисню, на відміну від аеробного розкладання при компостуванні, яке потребує багато кисню. Більш сухий гній, складений в купи, під дією мікроорганізмів-аеробів потроху розкладається, і розігрівається в процесі розкладання до 50 – 70 ⁰С.

Для збільшення концентрації метанобразующих бактерій в реакторі та інтенсифікації освіти біометану використовують здатність мікроорганізмів добре адсорбовані на поверхні твердого тіла. Як иммобилизующих поверхонь використовують скловолокно, капронові нитки, активоване вугілля та інші матеріали, причому вихід біогазу збільшується в 2 рази [9]. Також впливає на інтенсивність метаногенеза температура.

Теоретичні та практичні дослідження в галузі біологічної переробки рослинної біомаси, відходів тваринництва і т. д. в біогаз показали, що активність бактерій і відповідно об’єм біогазу, отриманого в результаті переробки, при інших рівних умовах безпосередньо залежить від температури. Чим вище температура, тим швидше йде процес переробки, більше виробляється біогазу, менше залишається бактеріальних і вірусних хвороботворних організмів. Так, при температурі від 52 до 56 ⁰С вироблення біогазу йде в 1,5 – 3 рази швидше, ніж при 30 – 40 ⁰ С, і досягається ефективне знезараження одержуваних добрив (активність бактерій і, отже, вироблення біогазу істотно падає в інтервалі температур 51,7 і 39,4 ⁰ С, і в меншій мірі від 35 до 0 ⁰ С).

Сьогодні інтенсивність метаногенерации є одним з основних показників ефективності технології отримання біогазу, і її підвищення – пріоритетне завдання наукових досліджень і розробок. Цей процес також дуже чутливий до таких факторів, як зміна у вихідних матеріалах і до коливань температури — метанові бактерії порівняно легко витримують температурні коливання середовища в біореакторі лише в межах 3 – 4 ⁰С/добу.

Стійкий процес метаногенеза може бути здійснено лише при рівномірній подачі однорідного субстрату. У цьому випадку накопичується мікрофлора, що здійснює основний маршрут і швидкість процесу зростає. Будь-які перебої або зміни в складі субстрату, зміни фізико-хімічного режиму призводять до більш тривалої затримки, чим інтенсивніше йшов процес до цього. Таким чином, не може бути універсальної установки для переробки органічної сировини в біометан. Діючим інструментом є не споруда, а мікробне співтовариство в ньому. Тому рекордні можливості метаногенеза зазвичай бувають на відгодівельних пунктах, там, де тривала стабілізація складу гною. Недоліком переважної більшості експлуатованих в даний час біогазових установок різних типів є те, що у них підтримку термофільного режиму переробки відходів у біогаз забезпечується за рахунок неприпустимо високої витрати різних високоліквідних палив (за рахунок спалювання однієї третьої частини виробленого біометану). А при експлуатації їх в Росії взимку для них потрібні ізольовані приміщення (укриття), а значить і додаткова витрата енергії на підтримання в цих приміщеннях мікроклімату. Для порівняння. Споживання теплоти на власні потреби котельні становить: при спалюванні газового палива — 2,3 – 2,4, твердого — 2,4 – 4,9, рідкого — 3,5 – 9,7 %.

Повертаючись до схем можливих мікробіологічних шляхів переробки органічних речовин у паливо, слід зазначити, що тільки метаногенез має зворотний маршрут до біомасі. Зброджений осад метантенка являє добриво тривалої дії, яка повертає поживні елементи на поля і, отже, економить енергію, яка витрачається на добрива. Звичайним запереченням проти метаногенеза в сільському господарстві служить посилання на необхідність використання гною як органічного добрива. Це посилання не зовсім точна, оскільки при метаногенезе відбувається скорочення на 2/3 баластних органічних речовин, що відходять у вигляді біометану і вуглекислоти, і відповідному скороченні транспортних витрат на вивезення добрив на поля. Особливо вигідний термофільний варіант метаногенеза, який виконує найбільш жорсткі санітарні вимоги. Недоліком метаногенеза є його висока вартість як методу очищення органічних стоків у порівнянні з аеробним очищенням.

Таким чином, при скептичному ставленні до можливостей «зеленого палива», розвиток анаеробних методів переробки органічних відходів представляється безпрограшним підходом.

Якщо біогазові сировину висушити й спалити, то теплота його згоряння складе приблизно 16 МДж/кг (близько 10 % потенційної теплоти згоряння втрачається в процесі зброджування). Таким чином, ККД конверсії становить 90 %. У той же час, матеріал з підвищеною вологістю, будучи введений у процес зброджування, дає високоякісне з добре керованим горінням газоподібне паливо, тоді як одне лише видалення 95 % вологи з гною вимагає до 40 МДж теплоти на 1 кг сухого залишку [10].

Пошуки оптимальної архітектури комбінованих біогазових установок, що сприяє зменшенню використання біометану на власні технологічні потреби при його виробництві знаходить все більш широке відображення в працях дослідників [11]. Так використання обладнання енергетики ВДЕ — вітроустановок, сонячних колекторів, для підтримки робочої температури в біореакторі дозволяє практично в 1,5 – 2 рази підвищити ККД біогазової системи. Це особливо актуально, якщо очищений від СО2 біометан потім використовувати в якості моторного палива для автотранспорту, або закачувати в існуючі мережі природного газу.

Висновок біогазової галузі на стійку рентабельность у весняно-літній період і до глибокої осені можливий на погляд автора за рахунок підтримки в метантенк-реакторах температури 53 – 54 ⁰С у складі комбінованої установки, розробленої в Конструкторському Бюро Альтернативної енергетики «ВоДОмет» (р. Омськ), що включає в себе також сонячний соляної ставок (рисунки 1, 2) з відповідним запасом теплової енергії. За рахунок використання сонячної енергії.

Метантенки-реактор 1 (малюнок 1) розміщений на дні ставка 2, в який поступає прямий сонячне випромінювання 4 і відбите від концентратора 5. 1 – метантенк-реактор, 2 – сонячний соляної ставок, 3 – корпус теплового колектора, 4 – сонячне випромінювання, 5 – концентратори сонячного випромінювання, 6 – грунт, 14 – зазор між корпусом теплового колектора 3 і метантенки-реактором 1.

Малюнок 1 – Схема гелиометантенк-реактора біогазової комбінованої установки Сировина (рослинна біомаса, відходи тваринництва і т. д.) по трубопроводу 7 (малюнок 2) подається в метантенк-реактор 1, далі по тексту, в реактор 1, де перемішується з наявними в ньому сировиною мішалкою, за рахунок примусової гидроциркуляции або за патентом А. В. Семенова [12], що забезпечує рівномірність складу і температури сировини. Вироблений біогаз по трубопроводу 8 відводиться в газгольдер (умовно не показаний). Утворюється в процесі переробки сировини (ферментації) шлам, рівний за обсягом, що надійшов в реактор сировини, виводиться (утилізується) з виробничого технологічного процесу по трубопроводу 9. У разі якщо в реакторі 1 відсутній пристрій відділення шламу від сировини, то разом зі шламом видаляється частина сировини.

1 – метантенк-реактор, 2 – сонячний соляної ставок, 3 – корпус теплового колектора, 7 – трубопровід подачі сировини в реактор, 8 – трубопровід відведення біогазу з реактора, 9 – трубопровід відведення шламу з реактора, 10, 11, 12 – вентиль запірний, 13 – забірник повітря з атмосфери, 14 – зазор між корпусом теплового колектора 3 і корпусом метантенк-реактора 1.

Малюнок 2 – Розріз по А — А рисунка 1

Підтримання необхідної температури ферментації в реакторі 1, за рахунок використання сонячної енергії забезпечується наступним чином. Реактор 1 розміщений всередині корпусу теплового колектора 3 із зазором 14. При заповненні цього зазору водою (при відкритих вентилях 10 і 11 і закритому вентилі 12 надходить через вентиль 11 вода витісняє повітря із зазору 14 через вентиль 10 в атмосферу) надходження тепла з сонячного соляного ставка 2 до сировини в реакторі 1 максимально. Це забезпечує, при необхідності, прискорений нагрів сировини до найбільш ефективної температури ферментації від 52 до 56 ⁰С. Після нагрівання сировини до необхідної температури, при закритому вентилі 11 відкривають вентилі 10 і 12, що забезпечує злив води через вентиль 12 і осушення зазору 14. В результаті інтенсивність надходження тепла з сонячного соляного ставка 2 через повітряний зазор 14 зменшується в десятки-сотні разів, порівняно з тим, коли він був заповнений водою.

Подальше підтримання температури сировини в необхідних межах можна забезпечувати за рахунок синхронного регулювання подачі «холодного» сировини по трубопроводу 7 і відведення шламу по трубопроводу 9 так і за рахунок створення в зазорі 14 низького вакууму або прокачування через нього води.

Така комбінована установка генерації біогазу забезпечує роботу реактора 1 в термофильном режимі, без витрат виробляється біометану на власні технологічні потреби. Це дуже актуально, якщо потім біометан використовується в якості моторного палива, для випалу цегли, освітлення, для виробництва асфальту, вироблення пари та для інших технологічних процесів, де потрібна температура набагато перевищує 100 оС. Биометаном можна заправляти локомотиви-турбовозы. Видаляється при очищенні біогазу до біометану вуглекислий газ можна використовувати для вирощування водоростей.

При роботі сонячної біогазової установки тільки влітку, взимку можна створювати значні запаси навозу. Використовуючи його влітку разом з відходами овочівництва і рослинництва можна безперебійно готувати однорідну органічну масу для ферментації забезпечуючи максимальну ефективність роботи.

Підігріта в зазорі 14 реактора вода навесні може використовуватися для поливу в теплицях і парниках, забезпечуючи підтримання в них прийнятної температури не тільки повітря, але і ґрунту, оскільки, наприклад, в травні природна середня місячна температура ґрунту на півдні Омської області на глибині 0,4 становить 8,7 ⁰ С, на глибині 0,8 м — 5,1 ⁰ С, а на глибині 1,6 м — всього 0,9 ⁰С.

Взимку реактор 1, після очищення від шламу, можна використовувати для резервного зберігання біометану, пропану, бутану або природного газу.

При виробленні біогазу нагальним завданням є пошук оптимізації режимів — найкращого режиму без додаткових поточних витрат.

У загальному випадку, комплексне завдання є, багатокритеріальної та мультимодальної. Зазвичай в якості найбільш загального критерію оптимізації виступають щорічні витрати, які залежать головним чином від характеру технологічного процесу, від витрати енергії. У разі оптимізації режиму установки за якийсь період часу критерієм є загальний витрата (втрати) енергії. За даними [10] при ферментації виділяється приблизно 1,5 МДж теплоти ( на 1 кг сухої маси зброджуваного сировини, тобто приблизно 25 кДж/моль С6Н10О5. Потреби в теплоті біореактора можуть змінюватися протягом часу в широких межах. Тому з урахуванням стохастичного надходження в ставок сонячної енергії, для безумовного виконання у будь-який проміжок часу) необхідно забезпечити для цього запас теплоти за рахунок підтримки температури розсолу ставка в межах 80 – 85 ⁰ С, з відключенням інших джерел споживання теплоти, при зниженні його температури, наприклад, нижче 70 – 75 ⁰С.

Як видно з математичних залежностей потреби в теплоті при виробленні біогазу при зниженні температури розсолу ставка зменшуються. Проте це зменшення буде незначним. Отже, дана біогазова установка повинна експлуатуватися, використовуючи енергію ставу, разом з іншими системами, які при похмурій погоді і дощах різко зменшують споживання теплової енергії зі ставка. Це може бути система сонячного холодопостачання або гелиоводомет [8].

Використання в технологічному виробництві біогазу сонячної енергії дозволяє забезпечити його літній і осінній виробництво з найбільшою ефективністю, що особливо важливо в районах, відрізаних від великих енергетичних центрів через розливу річок, бездоріжжя і т. д. Біогазова галузь може зайняти належне їй місце, оскільки буде також забезпечувати, за рахунок продукування добрива підтримання родючості ґрунтів, запобігати вільну емісію біометану в атмосферу.

Вартість біометану залежить від багатьох факторів, включаючи продажі «побічних» продуктів. Саму значну прибавку до прибутку від продажу біометану можна отримувати від реалізації рідких добрив, оскільки це високоліквідна продукція, яка користується постійним попитом. Попит на добрива є завжди, оскільки необхідним чинником функціонування аграрної біосистеми є баланс між внесенням у ґрунт і виносом з неї енергії у вигляді поживних речовин: внесення їх повинно бути не менше виносу.

За даними Х. З. Барабанер [13] зараз в середньому за рік гектар ріллі отримує (одержував) 48 – 50 кг мінеральних добрив і 5,0 – 5,6 т гною: що відповідає внесенню — 11624078 МДж, а винос всім біологічним урожаєм — в 7 разів більше. Якщо ж врахувати, що органічна маса кореневої системи, стерні і частину стебел залишаються в грунті, то різниця скорочується з 7 до 3,5 – 4 разу. Не можна не враховувати і здатності бобових культур фіксувати біологічний азот у ґрунті (люцерна — 300, конюшина — 200, кормові боби — 100, соя — 80, люпин — 70 кг/га), що дозволяє знизити зазначену різницю з 3,5 – 4 до 2,0 – 2,5 разу. Ця різниця і визначає межі необхідного збалансування виносу і внесення у ґрунт поживних речовин. У зв’язку з тим, що питома енергоємність гною на порядок нижче мінеральних добрив, максимізація його внесення нерозривно пов’язана з оптимізацією насиченості сільських господарств тваринництвом. Для збереження родючості ґрунту необхідно мати 74 умовні голови великої рогатої худоби на 100 га ріллі.

Виходячи з такої потреби в добривах, наводимо короткий перелік органічних відходів різних виробництв, придатних для вироблення біогазу (біометану) і добрив: зернова та малясна післяспиртову барда, пивна дробина, буряковий жом (при виробництві цукру з буряка відходи і побічні продукти складаю 85 – 88 % ваги сировини), відходи рибного і забійного цеху (кров, кишки). А також трава, побутові відходи, відходи молокозаводів — солона і солодка молочна сироватка, відходи виробництва біодизельного палива — технічний гліцерин від виробництва біодизелю з ріпаку, відходи від виробництва соків — жом фруктовий, ягідний, овочевий, виноградна вичавка, водорості, відходи виробництва крохмалю і патоки — мезга і сироп, відходи переробки картоплі, виробництва чіпсів— очищення, шкурки, гнилі бульби, кавова пульпа [14].

Як альтернатива у безлісих місцевостях, де немає ні торфовищ, ні кам’яного вугілля, печі топлять кізяком — висушеними на повітрі плитками з гною і соломи. По зовнішньому виду, хімічному складу, здатності розсипатися в сухому вигляді, кізяк схожий з торфом низьких сортів. Як, і торф, кізяк містить багато вологи. Його рекомендується спалювати в таких же паливниках, що і торф. В даний час він також належить до одного з видів ВДЕ — «інша біомаса».

Тому важливу роль при порівнянні ринку біометану грає потенціал ринку — максимальна ємність при найбільшій активності підприємств-виробників біометану і сприятливою для продажу кон’юнктурі. Порівняння, вносить ясність щодо можливостей розширення ринку, привабливості біометану для бізнесу.

Критерієм економічної цілийесообразности використання біометану може служити величина витрат, пов’язаних з виробництвом біогазу, очищенням його до біометану, а також дефіцитність природного газу.

Споживання, а отже і вироблення біометану для зменшення витрат на його зберігання необхідно прогнозувати. Однак споживання біометану особливо окремим споживачем не буде постійним, а змінюється в залежності від характеру виробничої діяльності, побуту, стану погоди і т. д. Крім випадкових коливань існують закономірні циклічні зміни споживання палива, обумовлені періодичною трудової діяльності людей і сезонною циклічністю пов’язаної зі зміною пори року. Включення окремих споживачів, особливо в житлових районах населеного пункту носить випадковий характер, особливо при малому числі споживачів, тому їх (дрібних виробників біометану) необхідно об’єднувати в одну мережу.

Для таких об’єднань характерно, що властивості окремих елементів, що їх утворюють, не визначають властивості об’єднання в цілому.

Різнопланові споживачі утворюють систему з стійким у часі споживанням газу.

Для муніципального освіти при оцінці економічної ефективності використання біометану необхідно враховувати також створення нових робочих місць, вироблення добрив і т. д., а для країни — збереження запасів природного газу в надрах, відсутність емісії біометану.

У свою чергу алгоритм оцінки еколого-економічного ефекту використання добрива, отриманого при виробництві біогазу, порівняно з добривом, отриманим при компостуванні рослинної біомаси і гною, повинен враховувати баланси процесів пов’язаних з поглинанням кисню при бродінні гною в буртах і виділенням кисню бурхливо зростаючої культурою після внесення добрива. При анаеробному процесі в біореакторі відсутнє поглинання кисню атмосфери. А внесення добрива сприяє підвищенню росту рослин, і, отже, підвищенню утворення кисню.

Отже, при анаеробної переробки органічних відходів та використання отриманих з них добрив однозначно баланс по надходженню кисню в повітря позитивний.

Аеробне зброджування при компостуванні здійснюється за рахунок використання атмосферного кисню. Внесення добрива, сприяє підвищенню росту рослин, забезпечує повернення використаного кисню. Тому аеробний процес можна вважати в кращому випадку нейтральним з точки зору відтворення (відновлення) кисню, за умови використання добрив за призначенням. Як бачимо, світовий досвід впровадження енергетики ВМЭ досить багатий. Чи вдасться Росії відповісти на виклики, які висуває сьогодні світова економіка? Особливо враховуючи вкрай жорстоку світову конкуренцію і боротьбу за ресурси? Без перебільшення, від вирішення цього завдання залежить майбутнє нашої країни.

Список літератури

1 Сидыганов Ю. Н. Особливості забезпечення біогазом АПК Республіки Марій Ел / Ю. Н. Сидыганов, Д. Н. Шамшуров // Механізація та електрифікація сільського господарства. 2006. № 6. С. 2 – 4.

2 Ракитова О. Держава та біоенергетика / О. Ракитова // Альтернативна енергетика. 2007. № 5-6. С. 5 – 10.

3 Логвинов В. І. Розвиток біогазової галузі в Омській області / В. І. Логвинов // Інновації Технології Рішення. 2005. № 5. С. 22 – 23.

5 Чумаков А. Біомаса відходів — енергетичний резерв поселень / А.с Чумаков, Ст. Ільїн // Альтернативна енергетика. 2007. № 4. С. 12 – 15.

5 Панцхава Е. С. Біоенергетика в агропромисловому комплексі Росії / Е. С. Панцхава, М. М. Шипілов // Енергія Економіка, Техніка, Екологія.– 2007.– № 8.– С. 30 – 34.

6 Горбунов А. В. Анаеробні дигесторы та альтернативна енергетика / А. В. Горбунов // Обладнання Розробки Технології. 2009. № 10 – 12. С. 16 – 20.

7 Розвиток відновлюваних джерел енергії в Росії: можливості та практика (на прикладі Камчатської області) GREENPEACE, Москва, 2006, 89 с.

8 Осадчий Р. Б. Сонячна енергія, її похідні та технології їх використання (Впровадження в енергетику ВДЕ) / Р. Б. Осадчий. Омськ: ІПК Макшеевой Е. А., 2010. 572 с.

9 Усаковский В. М. Поновлювані джерела енергії / В. М. Усаковский. М.: Россельхозиздат, 1986. 126 с.

10 Твайдел.Дж. Відновлювані джерела енергії / Дж. Твайдел, А. Вейр. М.: Вища Школа, 1990. 392 с.

11 Селін Ст. Ст. До питання про розробку концепції використання біопалива в енергобалансі Калінінградській області / Ст. Ст. Селін // Електрика. 2006. № 8. С. 9 – 12.

12 Патент.2272392 РФ, МКИ/ А 01 С 3/02, Біоенергетична установка / А. В. Семенов: Б. В. 27. 03. 2006, Бюл. № 9.

13 Методичні питання розвитку енергетики сільських районів / Х. З. Барабанер, В. М. Нікітін, Т. В. Клокова та ін. Іркутськ, СЕІ, 1989. 260 с.

14 Горбунов А. В. Анаеробні дигесторы та альтернативна енергетика / А. В. Горбунов // Обладнання Розробки Технології. 2009. № 10 – 12. С. 16 – 20.

15 Баротфи В., Ріфаї П. Енергозберігаючий технології і агрегати на тваринницьких фермах. М: Агропромиздат, 1988 228 с.

16 Самойлов Ст. Альтернативна енергетика — вектор розвитку/ В. Самойлов // Енергозбереження в Сибіру. 2010. № 1. С. 89 – 91.