Энергия БИОГАЗА

Сельскохозяйственные отходы представляют собой огромный источник биомассы. Отходы растениеводства и животноводства обеспечивают значительное количество энергии, уступающее только древесине, которая является главным видом топлива из биомассы на Земле. Сельскохозяйственные отходы включают: отходы растительных культур, например, солому, некондиционную продукцию и излишки производства, а также отходы животноводства в виде навоза. В Индии в 1985 году в качестве топлива было использовано 110 млн тонн навоза и растительных остатков, что близко к объему использования древесины — 133 млн тонн. В Китае количество сельскохозяйственных отходов в 2,2 раза превышает количество древесного топлива.

 

Каждый год в мире образуются миллионы тонн соломы. Более половины этого количества не используется. Во многих странах она сжигается на полях или запахивается в землю. В некоторых развитых странах экологическое законодательство запрещает сжигание соломы на полях. Это привлекло внимание к соломе как к потенциальному источнику энергии.

Энергетическое использование растительных остатков вызывает вопрос о том, какое количество может быть использовано без негативного воздействия на урожай. В соответствии с опытом развитых стран, около 35% растительных остатков может быть удалено без воздействия на будущий урожай.

Промышленные отходы, содержащие биомассу, также могут быть использованы для производства энергии. Например, из отходов производства спирта можно получить горючий газ. Другие полезные виды отходов включают отходы пищевой и текстильной промышленности.

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ БИОМАССЫ

Практически все виды «сырой» биомассы достаточно быстро разлагаются, поэтому немногие пригодны для долговременного хранения. Из-за относительно низкой энергетической плотности транспортировка биомассы на большие расстояния нецелесообразна. Поэтому в последние годы значительные усилия были предприняты для поисков оптимальных методов ее использования.

Методы получения энергии из биомассы основаны на следующих процессах:

Прямое сжигание биомассы.
Термохимическое преобразование для получения обогащенного топлива. Процессы этой категории включают пиролиз, газификацию и сжижение.
Биологическое преобразование. Такие естественные процессы, как анаэробное сбраживание и ферментация приводят к образованию полезного газообразного или жидкого топлива.

В некоторых из перечисленных процессов побочным продуктом является тепло. Оно обычно используется на месте образования или на небольшом удалении для теплоснабжения, в химических процессах или для производства пара и последующего получения электроэнергии. Основным продуктом процессов является твердое, жидкое или газообразное топливо: древесный уголь, заменители или добавки к бензину, газ для продажи или производства электроэнергии с использованием паровых или газовых турбин.

АНАЭРОБНОЕ СБРАЖИВАНИЕ

Природа обладает средством разрушения и удаления отходов, а также мертвых растений и животных. Работу по разрушению производят бактерии. Навоз и компост, использующиеся в качестве удобрения, также получаются в процессе декомпозиции органических материалов. Если части отмирающих растений и животных попадают в воду, то в последствии на поверхности воды можно заметить пузырьки, поднимающиеся со дна. Газ, содержащийся в пузырьках, способен возгораться. Этот загадочный феномен известен человеку многие века. Секрет был раскрыт учеными около 200 лет тому назад. Процесс представляет собой разложение органики в отсутствии воздуха (кислорода). Газ, образование которого обычно отмечалось на болотах, был назван и до сих пор называется болотным газом. Этот газ, называемый также биогазом, представляет собой смесь метана (CH4) и двуокиси углерода (CO2). Впервые биогаз был исследован и описан Александро Вольта (Alessandro Volta) в 1776 году. Хемфри Деви (Humphery Davy) впервые в начале 1800 года показал, что горючий газ метан содержится в навозе. В дальнейшем были развиты биогазовые технологии, позволяющие получить биогаз из любых биодеградирующих материалов в искусственно созданных условиях.

Анаэробное сбраживание, как и пиролиз, реализуется при отсутствии воздуха. Однако в этом случае декомпозиция происходит под воздействием бактерий, а не высоких температур. Это процесс, происходящий практически во всех биологических материалах и ускоряющийся в теплых и влажных условиях (естественно, при отсутствии воздуха). Часто он имеет место при разложении растений на дне водоемов.

Анаэробное сбраживание также происходит в условиях, создаваемых в процессе человеческой деятельности. Например, биогаз образуется в местах концентрации сточных вод, навозных стоков ферм, а также твердых бытовых отходов на свалках и полигонах. В обоих случаях биогаз представляет собой смесь, преимущественно состоящую из метана и двуокиси углерода. Основные отличия заключаются в природе исходного материала, масштабах и темпе образования биогаза, приводящие к весьма отличающимся технологиям для этих источников.

Химия процесса образования биогаза достаточно сложна. Сложная популяция бактерий разлагает органические материалы в сахара, а затем в различные кислоты, из которых в свою очередь получается биогаз. При этом остается инертный остаток, состав которого зависит от типа установки и исходного сырья.

БИОГАЗ

Биогаз представляет собой ценное топливо. Для его производства во многих странах строятся специальные метантенки, которые наполняются навозными стоками или сточными водами. Метантенки варьируются в размерах от одного кубического метра (в индивидуальных хозяйствах) до тысяч кубометров, используемых в больших коммерческих установках. Загрузка может быть постоянной или порционной, а процесс сбраживания может занимать от десяти дней до нескольких недель. В процессе деятельности бактерий образуется тепло, однако в условиях холодного климата необходим подвод дополнительного тепла для поддержания оптимальной температуры (по крайней мере, 35 оC). Источником тепла может быть биогаз. В предельном случае весь газ может быть использован для нагрева. Хотя в этом случае выход энергии в процессе будет нулевым, все равно его существование будет оправдано экономией ископаемого топлива, необходимого для переработки отходов. Хорошие биогазовые установки могут производить 200-400 м3 биогаза с содержанием метана от 50 до 75% из каждой тонны сухого органического вещества.

Биогаз

Самый большой потенциал биогаза в Европе представляют навозные стоки в сельском хозяйстве. Другими источниками сырья являются:
Осадки после механической или биологической очистки сточных вод (осадок после химической очистки часто образует лишь малое количество биогаза).
Бытовые отходы органического происхождения.
Органические отходы промышленности, например, мясоперерабатывающей или пищевой.

Необходимы предосторожности для того, чтобы при переработке не использовались отходы, содержащие тяжелые металлы или вредные химические вещества, если твердый остаток предполагается использовать в качестве удобрений. Однако такие отходы могут перерабатываться в биогазовых установках, если в дальнейшем сухой остаток считается видом отходов и сжигается.

Другим источником биогаза могут быть полигоны ТБО, содержащие большое количество органической материи. Биогаз может быть собран при помощи бурения скважин. Такое бурение в любом случае уменьшает неконтролируемую эмиссию метана из тела полигона.

Содержание энергии

В случае хорошей организации процесса из одного килограмма твердого сухого вещества (TВ) обычно получается около 0,3-0,45 м3 биогаза (60% метана). Типичное время сбраживания составляет 20-30 дней при температуре 32°C. Нижняя теплотворная способность газа составляет 6,6 кВт·ч/м3. Количество получаемого биогаза часто приводится на килограмм летучего твердого вещества (ЛТВ). Содержание ЛТВ в навозе, не содержащем солому, песок и другие подобные примеси, обычно составляет 80% от твердого вещества (TВ).

Биогазовые установки обладают собственным потреблением энергии для поддержания повышенной температуры в метантенке. Для БУ с удачной конструкцией собственное потребление энергии составляет 20% от получаемой энергии. В случае использования биогаза для одновременного производства электрической и тепловой энергии (когенерация), 30-40% энергии преобразуется в электрическую энергию, 40-50% — в тепловую, а оставшаяся часть потребляется на собственные нужды.
Оценка ресурсов

Оценку количества навоза можно осуществить, используя данные о поголовье скота. Поскольку количество навоза зависит от количества и типа получаемых кормов, необходимо использовать средние данные для каждой из стран.

В таблице приведены данные для Дании:

Вид животных

Тип навоза

Количество навоза, кг/сутки

Сухое вещество, кг/сутки

Биогаз на 1 голову, м3/сутки*

Энергия на 1 голову, кВт·ч/год

Коровы

Навоз

51

5,4

1,6

3400

Коровы

Сухое вещество

32

5,6

1,6

3400

Свиньи

Навоз

16,7

1,3

0,46

970

Свиньи

Сухое вещество

9,9

2,9

0,46

970

Куры

Сухое вещество

0,66

0,047

0,017

36

* биогаз с 65% метана

Для оценки годовой производительности необходимо оценить продолжительность содержания животных в помещении. Для больших птицеферм и свиноферм она зачастую равна целому году, в то время как коровы могут содержаться на привязи от нескольких месяцев в году до целого года.

Для ориентировочной оценки количества навоза телят, свиней и птицы могут быть сделаны следующие предположения:

Телята 1-6 месяцев: 25% от количества навоза молочных коров.
Другие виды телят (телята > 6 месяцев, мясной скот, матки): 60% от количества навоза молочных коров.
Поросята 5-15 кг: 28% от количества навоза свиноматки.
свиньи на выращивании > 15 кг: 52%.
птица на выращивании: 75% от взрослой птицы.

Барьеры

Наличие барьеров сдерживает крупномасштабное развитие биогазовых установок в странах CEEC:

Сложно сделать биогазовые установки окупаемыми, если единственным источником прибыли является продажа энергии. Применение БУ становится привлекательным после учета эффектов обработки навоза. Это могут быть улучшение условий гигиены, простота обращения, уменьшение запаха и переработка промышленных отходов.
недостаток знаний о БУ в среде руководителей и организаторов.

Воздействие на экономику, окружающую среду и занятость населения

Экономика

Экономические параметры БУ определяются высокими инвестиционными затратами, умеренными затратами на эксплуатацию и техническое обслуживание, практически бесплатным сырьем и доходом, получаемым от продажи биогаза или электроэнергии и тепла. Иногда к этому можно добавить другие параметры, например, превращение отходов в полезное удобрение.

Например, в Чешской Республике стоимость биогазовой установки, способной перерабатывать навоз от 100 коров, оценивается в 70000 долларов. Эта установка будет производить 220 МВт·ч в год и энергию для собственного нагрева. В результате, необходимые инвестиции равны 0,32 долларов на кВт·ч/год. Новые датские биогазовые установки имеют сходные экономические параметры. По существующим оценкам, совместное чешско-датское предприятие могло бы уменьшить цену на 40% (до 0,2 долларов на кВт·ч/год), однако эти оценки не были подтверждены на практике.

Годовые затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание обычно равны 10-20% от общей стоимости. Они зависят от организации, уровня зарплаты, типа установки и транспортных расходов. Если расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание равны 10% от стоимости в год и требуется, чтобы срок окупаемости установки не превышал 10 лет, цена на электроэнергию должна быть на уровне 0,04-0,06 $/кВт·ч (в соответствии с приведенным примером из Чехии при условии, что сброженный остаток не продается в качестве удобрения).

К экологическим воздействиям БУ на окружающую среду относятся:
Производство энергии, замещающей ископаемое топливо, уменьшение эмиссии СО2.
Уменьшение запаха и улучшение гигиенических условий.
Переработка определенного вида органических отходов, который в противном случае может вызвать экологическую проблему.
Уменьшение эмиссии метана из-за неконтролируемого анаэробного разложения навоза.
Упрощение обращения с навозом, превращение части навоза в удобрение и уменьшение использования искусственных удобрений.

Занятость населения

Прямая занятость населения в Дании на биогазовых установках оценивается величиной в 560 рабочих мест на 1 ТВт·ч произведенной энергии, из которых 420 заняты эксплуатацией и обслуживанием, а 140 — на строительстве (2000 человеко-лет для создания установок, производящих 1 ГВт·ч и имеющих период эксплуатации 14 лет). Эта оценка верна для механизированных систем с признаками централизации, то есть часть навоза транспортируется к установке от соседних ферм.