Рост выбросов парниковых газов, увеличение потребления воды, ее загрязнение, истощение земель и запасов природных энергоресурсов вынуждают искать новые источники энергии. Одним из них являются биогазовые технологии. По прогнозам, вклад биомассы как дополнительного источника энергии к 2040 г. достигнет 23,5% от общего энергопотребления.
Что такое биогаз
Биогаз получают путем анаэробного (без кислорода) брожения биомассы. В качестве биомассы могут выступать свалочные отходы, отходы животноводства (навоз) и сельского хозяйства, отходы скотобоен, некоторые культуры, например, рапс. В результате брожения биомасса разлагается под воздействием гидролизных, кислотообразующих и метанобразующих бактерий. В состав газа входят 55-65% метана, 35-45% углекислого газа и около 1% водорода и сероводорода.
При переработке 1 т свежего навоза крупного рогатого скота и свиней можно получить 45-60 куб.м биогаза, 1 т куриного помета — до 100 куб.м, из различных видов энергетических растений — 100-500 куб.м. По теплоте сгорания 1 куб.м биогаза равен: 0,8 куб.м природного газа, 0,7 кг мазута, 0,6 кг бензина, 1,5 кг дров, 3 кг навозных брикетов. К производству биогаза относят получение лендфилл-газа или биогаза из городских свалок. В штате Айдахо, США, департамент по управлению твердыми отходами использует сеть трубопроводов для сбора газа и распределению его по домам. Система утилизации газа для последующего использования состоит из 13 тыс. м труб, монтирующиеся по мере роста свалки. Прокладывают траншеи, их выстилают тканью и засыпают на несколько сантиметров щебнем, затем укладывают трубы. При разрастании свалки наращиваются новая система трубопроводов и закладывается в землю. Поверх труб насыпаются отходы. Газ поступает в трубы, отсасывается и транспортируется в генераторы для производства электричества. Постепенно свалка может слиться с окружающей природой, образовываться холмы, засаженные растениями. В настоящее время во многих странах создается специальные хранилища для ТБО (твердых бытовых отходов). Из этих ТБО производят биогаз для отопления и электричества. Лидером в производстве биогазового топлива из ТБО является Германия — 33,3 млн Гкал, США — 2,2 млн Гкал, Япония — 1,4 млн Гкал, Швеция — 1,2 Гкал.
Из истории происхождения и 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 изучил влияние температуры на количество выделяемого газа. Было установлено, что уже при температуре в 6°C речные отложения начинают выделят биогаз, а сростом 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 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 ощутилась 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.
На сегодняшний день биогазовые технологии стали стандартом очистки сточных вод, переработки отходов во многих странах мира.
Опыт развитых стран
Любые полезные начинания, особенно при государственной поддержке, достигают своей цели быстро и легко. 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.
Источник фото: web.archive.org
В Германии, по данным Немецкой биогазовой ассоциации, в 2007 г. насчитывалось около 4 тыс. биогазовых установок, к 2020 г. планируется достигнуть количества 20 тыс. штук. В Австрии количество биогазовых установок объемом более 2 тыс. куб. м составляет более 120, около 25 установок в стадии постройки. В Англии применение биогаза еще в 1990 г. покрыло все энергозатраты в сельском хозяйстве.
В силу специфичности исходного сырья для установок быстрое развитие биогазовых технологий может быть основано на утилизации сточных вод, очистке индустриальных сточных вод, переработке сельскохозяйственных отходов и твердых бытовых отходов.
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.
Опыт развивающихся стран
В развивающихся странах широко распространено производство энергии и тепла с помощью биогазовых установок. Хозяйств в Китае, которые пользуются биогазовой энергией для освещения, отопления, приготовления пищи, насчитывается около 12 млн, в Индии — 3,7 млн, в Непале — 140 тыс.
Источник фото: web.archive.org
Биогазовые установки в Китае
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 куб.м, производит 300 куб.м 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.
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.
В Непале с развитием биогазовых технологий было отмечено значительное увеличение годовых сбережений от замены керосина, дров и угля на энергию, получаемой от биогаза. Во время реализации программы было основано 60 фирм-производителей установок, около 100 организаций, предоставляющие средства на финансирование строительства установок, приняли стандарты качества для установок, занимались интенсивным развитием рынка биогазовых технологий.
На Филиппинах установки производят газ для работы моторов, работающих на ирригацию. В Азии и Латинской Америке установки используют для утилизации сточных вод, производства энергии и удобрений.
Опыт СССР, стран СНГ
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 куб.м газа с 1 куб.м реактора. Однако технология не получила широкого распространения из-за дешевизны природных энергоресурсов. 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. В СНГ это число не превышает нескольких сот.
Применение биогаза
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. Такая культура, как топинамбур, является отличным сырьем для биотоплива, а в нашей стране можно засевать им до 160 тыс. га площади. 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, излишки продавать.
Для заправки автомобилей устанавливается дополнительная система очистки биогаза, после чего его можно использовать как топливо. Очищенным биогазом можно заправлять технику, что очень актуально в настоящее время, в условиях постоянного роста цен на солярку. Побочный продукт очистки — углекислый газ, от которого тоже можно получить некоторую прибыль — использовать как сухой лед, для газировки или в технических целях.
В 2004 году в мире насчитывалось около 3,8 млн транспортных средств, заправляемых биогазом. Больше всего их в Италии, Бразилии, Аргентине, Пакистане. Причины использования биогаза как топлива: уменьшение выброса углекислого газа, снижение импорта энергоносителей, уменьшение выброса метана. После очистки биогаз транспортируется на заправочные станции.
Швеция самая «продвинутая» страна по продажам машин, заправляемые биогазом. В 2005 году продажи выросли на 49%. Например, в Гётеборге 19 заправочных станций. Здесь также построен самый большой биогазовый завод, и первый поезд, работающий на биогазе.
Из 1 куб. м биогаза можно получить около 2 кВт электроэнергии. Тепло от сжигания газа можно тратить на обогрев помещений, содержание теплиц и скота в сельской местности, для работы рефрижераторов на предприятии. В переброженной массе минерализация составляет 60%, в обычном навозе — 40%. Такие сбалансированные удобрения повышают урожайность на 30-50%. Их, также как и избытки газа либо электричества, можно продавать.
Биогазовые установки
Биогазовые установки называют биореактором, из чего следует, что в нем происходит реакция, результатом которой является биогаз. Процесс получения газа проходит несколько этапов:
- В начале процесса в биореактор загружается сырье.
- В специальной установке сырье проходит подготовку, гомогенизацию, и перемешивается.
- Благодаря особым бактериям происходит процесс, называемый анаэробным (бескислородным) сбраживанием, продуктом чего является биогаз.
- Затем биогаз направляется для дальнейшего использования.
- Отработанное сырье можно использовать в качестве биоудобрения, в котором содержатся необходимые микроэлементы.
Биогазовые установки можно применять как очистительные сооружения. Преимущество заключается в том, что оно, помимо переработки отходов, дает энергию, которую можно использовать для подогрева самой установки, бытового газоснабжения, выработки электро- и теплоэнергии, а при обогащении, т.е. повышения доли содержания метана до необходимых показателей природного газа, им можно заправлять автомобили.
Выгоды установки заключаются в следующем:
- Экологическая. Установка позволяет уменьшить санитарную зону предприятия в несколько раз. Сократить выбросы углекислого газа в атмосферу;
- Энергетическая. При сжигании биогаза без обогащения можно получать электричество и тепло;
- Экономическая. Строительство биогазовой установки позволит сэкономить на затратах по строительству очистных сооружений и утилизации отходов;
- Установка может служить автономным источником энергии для наших отдаленных регионов. Не секрет, что до сих пор во многих областях перебои с поставкой электричества, дома отапливаются дровами. Возможно, это и звучит несколько утопично, установка сама по себе недешева, но монтаж таких биогазовых станций был бы выходом для жителей необеспеченных регионов;
- Биогазовые установки могут быть размещены в любом регионе страны и не требуют строительства дорогостоящих газопроводов и сложной инфраструктуры;
- установки могут частично заменить региональные котельные, обеспечить теплом и электричеством поселки и небольшие города в округе;
- Биогаз, получаемый из установок, может быть использован в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания.
Источник фото: web.archive.org
В домашних условиях биогазовая установка может представлять собой утепленную герметичную ёмкость с трубами для отвода газа. При желании ее размещают под землей. Следует помнить, чем больше температура наружного воздуха, тем реакция в реакторе идет быстрее. Для реактора можно взять бочку. Естественно, чем объем бочки больше, тем больше газа будет вырабатываться. При закладывании сырья необходимо оставлять место для выхода газа. Если бочка помещена под землю, где держится постоянная температура. К бочке присоединяется с помощью труб и насоса для откачки биогаза ёмкость, желательно круглой формы, для сборки и хранения газа. Рекомендуется помещать ёмкость выше реактора. Для работы генератора газ не требует специальной очистки.
Для получения газа обычно смешивают 1,5 тонны навоза с 3,5 тоннами отходов, ботва, солома, опавшие листья. Добавляют воду, чтоб получилась влажность 60-70%, после чего смесь закладывают в реактор. Очень важно, чтобы смесь была гомогенизированной, так как брожение происходит в этом случае быстрее. С помощью змеевика нагревают смесь до 35°C. Смесь начинает бродить, постепенно выделяя газ. Процесс обычно занимает около двух недель.
Для лучшего обогрева реактора можно использовать «тепличный эффект». Для этого устанавливают деревянный или металлический каркас над реактором и покрывают полиэтиленовой пленкой.
Случается, что после первого наполнения реактора и начала отбора газа, он не горит. Это объясняется тем, что в газе содержится 60% углекислого газа. Его необходимо выпустить, а через несколько дней работа установки стабилизируется.
Бывает, что выработка биогаза снижается из-за образования на поверхности биомассы корки. Поэтому ее необходимо периодически перемешивать.
На первом этапе загрузки биомассы в ёмкость длительность ферментации для навоза крупного рогатого скота должна быть 20 суток, для свиного — 30 суток. При смешивании разных компонентов можно получить большее количество газа. Перерабатывая навоз КРС и птичий помет, получают газ с содержанием метана до 70%, что повышает его эффективность как топлива. После стабилизации процесса сбраживания в реактор загружают не более 10% от объема перерабатываемого в нем сырья.
Для предотвращения взрыва необходимо периодически выпускать газ. В сутки можно получать до 40 куб.м газа.
Переработанная масса удаляется через трубу для выгрузки при помощи загрузки новой порции сырья. Отработанная масса — отличное удобрение для земли.
Такая биогазовая установка, как на фотографии выше, находится в частном дворе, в Индии. Она обеспечивает энергией дом, дает газ для приготовления пищи. Главное — никакого запаха и все находится в санитарных условиях.
Перспективы развития биогазовых технологий в России
По статистическим данным в России общее количество органических отходов сельского хозяйства ежегодно составляет 773 млн т, из которых можно получить 66 млрд куб.м биогаза или около 110 млрд кВт•ч электроэнергии. Большая часть отходов приходится на 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, а соответственно, и урожая, что значительно увеличит рентабельность установок и сократит сроки окупаемости.
Условия для развития технологий в России
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», ввести надбавки 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.
Кому выгодно строить биоустановки
Биоэнергетические установки выгодно строить:
- Сельскохозяйственным предприятиям: свинофермам, фермам КРС, птицефабрикам, растениеводческим хозяйствам.
- Перерабатывающим предприятиям: пивоваренным, спиртовым заводам, сахарным заводам, мясокомбинатам, молокозаводам, хлебобулочным, рыбным заводам, сокоперерабатывающим предприятиям.
- Тепличным хозяйствам.
- 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 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:
- С помощью биогазовой установки с трудом можно «оздоровить» переживающее кризис предприятие. Она может поддержать рентабельность предприятия;
- Вложения в биогазовую установку связаны с долгосрочными вложениями и затраты на строительство должно рассчитываться с учетом перспективы;
- 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;
- Эксплуатация установки невозможна без постоянных профилактических работ и надзора за установкой. На эти мероприятия ежедневно нужно тратить минимум 1 час в день;
- Установка наиболее рентабельна при эксплуатации ее, как дополнительного оборудования в хозяйстве.
По словам специалистов, особое место в биогазовой панораме России отводится анаэробному брожению для получения биогаза. Правда, пока доля возобновляемых источников тока составляет 1%. Примерно 40% отходов на свалках представляет большое количество биомассы, пригодной для выработки биогаза.
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. Только на одной частной инициативе далеко не продвинемся и ситуация в целом не изменится без государственной поддержки и финансировании. 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.