Биогаз как альтернативное моторное топливо

Введение

Комплексная переработка  отходов животноводства в России получает, можно сказать, промышленное развитие. Едва ли не главная причина  здесь в том, что топливо и  удобрения из таких отходов обходятся  куда дешевле, чем традиционные, точнее – традиционно дорожающие. 

Такие потрясения, как энергетический кризис 1973 г. и Чернобыльская катастрофа 1986 г., заставили большинство стран  пересмотреть свою энергетическую политику в отношении темпов и перспектив использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Стало ясно, что недостаточно развить экологически чистую энергетику только в своей стране, когда соседние страны продолжают строительство и  эксплуатацию атомных объектов, подобных по надежности четвертому блоку Чернобыльской  АЭС. Необходимо объединение усилий ученых разных стран в области  развития нетрадиционной энергетики.

Отрицательные тенденции  развития традиционной энергетики обусловлены  в основном наличием двух факторов - быстрым истощением природных ресурсов и загрязнением окружающей среды. Поданным ООН, истощение залежей угля предполагается в 2082-2500 гг.

Перспективные технологии традиционной энергетики повышают эффективность  использования энергоносителей, но не улучшают экологическую ситуацию: тепловое, химическое и радиоактивное  загрязнение окружающей среды может  привести к катастрофическим последствиям.

В связи с этим возникает  необходимость выявления возможностей рационального использования ресурсов традиционной энергетики с одной  стороны и развитие научно-технических  работ по использованию нетрадиционных и возобновляемых источников энергии - с другой.

В нетрадиционной энергетике особое место занимает переработка  биомассы (органических сельскохозяйственных и бытовых отходов) метановым брожением с получением биогаза, содержащего около 70% метана, и обеззараженных органических удобрений. Чрезвычайно важна утилизация биомассы в сельском хозяйстве, где на различные технологические нужды расходуется большое количество топлива и непрерывно растет потребность в высококачественных удобрениях. Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60-ти разновидностей биогазовых технологий.

Биогаз - это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в специальных реакторах - метантенках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Энергия, получаемая при сжигании биогаза может достигать от 60 до 90% той, которой обладает исходный материал. Однако биогаз получают из жидкой массы, содержащей 95% воды, так что на практике выход достаточно трудно определить. Другое, и очень важное, достоинство процесса переработки биомассы состоит в том, что в его отходах содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале.

.

1. Особенности биогазового топлива

Процессы разложения органических отходов с получением горючего газа и его использованием в быту известны давно: в Китае их история насчитывает 5 тыс. лет, в Индии – 2 тыс. лет. Природа  биологического процесса разложения органических веществ с образованием метана за прошедшие тысячелетия не изменилась. Но современные наука и техника  создали оборудование и системы, позволяющие сделать эти “древние”  технологии рентабельными и применяемыми не только в странах с теплым климатом, но и в странах с суровым  континентальным климатом, например в России.

Биогаз состоит из метана (55-85%) и углекислого газа (15-45%). Биогаз плохо растворим в воде, его  теплота сгорания составляет от 21 до 27,2 МДж/м³. При переработке 1 т свежих отходов крупного рогатого скота  и свиней (при влажности 85%) можно  получить от 45 до 60 м³ биогаза, 1 т куриного помета (при влажности 75%) – до 100 м³ биогаза. По теплоте сгорания 1 м³ биогаза эквивалентен: 0,8 м³ природного газа, 0,7 кг мазута, 0,6 кг бензина, 1,5 кг дров (в абсолютно сухом состоянии), 3 кг навозных брикетов.

Биогаз, как и природный  газ, относится к наиболее чистым видам топлива.

Получение биогаза из органических отходов имеет следующие положительные  особенности:

1. осуществляется санитарная  обработка сточных вод (особенно  животноводческих и коммунально-бытовых), содержание органических веществ  снижается до 10 раз;

2. анаэробная переработка  отходов животноводства, растениеводства  и активного ила позволяет  получать уже готовые к использованию  минеральные удобрения с высоким  содержанием азотной и фосфорной  составляющей (в отличие от традиционных  способов приготовления органических удобрений методами компостирования, при которых теряется до 30-40% азота);

3. при метановом брожении  высокий (80-90%) КПД превращения  энергии органических веществ  в биогаз;

4. биогаз с высокой  эффективностью может быть использован для получения тепловой и электрической энергии, а также в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания;

5. биогазовые установки  могут быть размещены в любом  регионе страны и не требуют  строительства дорогостоящих газопроводов  и сложной инфраструктуры;

6. биогазовые установки  могут частично или полностью  заменить устаревшие региональные  котельные и обеспечить электроэнергией  и теплом близлежащие деревни,  поселки, небольшие города.

Биогазовые технологии позволяют  наиболее рационально и эффективно конвертировать энергию химических связей органических отходов в энергию  газообразного топлива и высокоэффективных  органических удобрений.

2. Биогазовая технология переработки отходов животноводства.

В основе биогазовых технологий лежат сложные природные процессы биологического разложения органических веществ в анаэробных (без доступа  воздуха) условиях под воздействием особой группы анаэробных бактерий. Эти  процессы сопровождаются минерализацией азотсодержащих, фосфорсодержащих и  калийсодержащих органических соединений с получением минеральных форм азота, фосфора и калия, наиболее доступных  для растений, с полным уничтожением патогенной (болезнетворной) микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, специфических фекальных запахов, нитратов и нитритов. Процесс образования  биогаза и удобрений осуществляется специальных биореакторах-метантенках.

Один микробиологический способ обезвреживания навоза, да и  любых других органических остатков, известен давно - это компостирование. Отходы складывают в кучи, где они  под действием микроорганизмов-аэробов  понемногу разлагаются. При этом куча разогревается примерно до 60°С и происходит естественная пастеризация - погибает большинство патогенных микробов и яиц гельминтов, а семена сорняков теряют всхожесть.

Но качество удобрения  при этом страдает: пропадает до 40 % содержащегося в нем азота  и немало фосфора. Пропадает и  энергия, потому что впустую рассеивается тепло, выделяющееся из недр кучи, - а  в навозе, между прочим, заключена  почти половина всей энергии, поступающей  на ферму с кормами. Отходы же от свиноферм для компостирования  просто не годятся: слишком они жидкие.

Но возможен и другой путь переработки органического вещества - сбраживание без доступа воздуха, или анаэробная ферментация. Именно такой процесс происходит в природном  биологическом реакторе, заключенном  в брюхе каждой буренки, пасущейся  на лугу. Там, в коровьем преджелудке, обитает целое сообщество микробов. Одни расщепляют клетчатку и другие сложные органические соединения, богатые энергией, и вырабатывают из них низкомолекулярные вещества, которые легко усваивает коровий организм. Эти соединения служат субстратом для других микробов, которые превращают их в газы - углекислоту и метан. Одна корова производит в сутки до 500 литров метана; из общей продукции метана на Земле почти четверть - 100-200 млн. тонн в год! - имеет такое "животное" происхождение.

Метанообразующие бактерии - во многом весьма замечательные создания. У них необычный состав клеточных стенок, совершенно своеобразный обмен веществ, свои, уникальные ферменты и коферменты, не встречающиеся у других живых существ. И биография у них особая - их считают продуктом особой ветви эволюции.

Примерно такое сообщество микроорганизмов и приспособили латвийские микробиологи для решения  задачи - переработки отходов свиноферм. По сравнению с аэробным разложением  при компостировании анаэробы работают медленнее, но зато гораздо экономнее, без лишних энергетических потерь. Конечный продукт их деятельности - биогаз, в котором 60-70 % метана,- есть не что иное, как концентрат энергии: каждый кубометр его, сгорая, выделяет столько же тепла, сколько килограмм  каменного угля, и в два с  лишним раза больше, чем килограмм  дров.

Во всех прочих отношениях анаэробная ферментация ничуть не хуже компостирования. А самое важное - что таким способом прекрасно  перерабатывается навоз с ферм. В  процессе биологической, термофильной, метангенерирующей обработки органических отходов образуются экологически чистые, жидкие, высокоэффективные органические удобрения. Эти удобрения содержат минерализованный азот в виде солей аммония (наиболее легко усвояемая форма азота), минерализованные фосфор, калий и другие, необходимые для растения биогенные макро- и микроэлементы, биологически активные вещества, витамины, аминокислоты, гуминоподобные соединения, структурирующие почву.

Получаемый биогаз плотностью 1,2 кг/ м3 (0,93 плотности воздуха) имеет  следующий состав (%): метан - 65, углекислый газ - 34, сопутствующие газы - до 1 (в том числе сероводород - до 0,1). Содержание метана может меняться в зависимости от состава субстрата и технологии в пределах 55-75 %. Содержание воды в биогазе при 40°С - 50 г/м3; при охлаждении биогаза она конденсируется, и необходимо принять меры к удалению конденсата (осушка газа, прокладка труб с нужным уклоном и пр.). Энергоемкость получаемого газа - 23 мДж/ м3 , или 5500 ккал/ м3 .

Энергия, запасенная в первичной  и вторичной биомассе может конвертироваться в технически удобные виды топлива или энергии несколькими путями.

Получение растительных углеводородов (растительные масла, высокомолекулярные жирные кислоты и их эфиры, предельные и непредельные углеводороды и т.д.) .

Термохимическая конверсия  биомассы (твердой, до 60%) в топливо: прямое сжигание, пиролиз, газификация, сжижение, фест-пиролиз.

Биотехнологическая конверсия  биомассы (при влажности от 75 % и  выше) в топливо: низкоатомные спирты, жирные кислоты, биогаз.

Биологическая конверсия  биомассы в топливо и энергию  развивается по двум основным направлениям: ферментация с получением этанола, низших жирных кислот, углеводородов, липидов - это направление давно  и успешно используется на практике; получение биогаза.

В настоящее время получение  биогаза связано, прежде всего с переработкой и утилизацией отходов животноводства, птицеводства, растениеводства, пищевой, спиртовой промышленности, коммунально-бытовых стоков и осадков.

Ведущее место по производству биогаза занимает Китай. Начиная  с середины 70-х гг., в этой стране ежегодно строилось около миллиона метантенков. В настоящее время их количество превышает 20 млн. штук. КНР обеспечивает 30% национальных потребностей в энергии за счет биогаза.

Второе место в мире по производству биогаза занимает Индия, в которой еще в 30- годы была принята  первая в мире программа по развитию биогазовой технологии. На конец 2000 г. в сельских районах Индии было построено свыше 1 млн. метантенков, что позволило улучшить энергообеспеченность ряда деревень, их санитарно-гигиеническое состояние, замедлить вырубку окрестных лесов и улучшить почвы. Сегодня ежедневное производство биогаза в Индии составляет 2,5-3 млн. куб. м.

В Непале создана и активно  функционирует национальная биогазовая компания.

Биогазовые установки  успешно работают в восьми животноводческих хозяйствах Японии.

Предварительные расчеты  показывают, что из 1 тонны растительной биомассы, смешанной с отходами, можно получить 350 куб. м газов (метан, водород) с энергоемкостью 2.1х106 ккал, 430 л жидкого топлива с энергоемкостью 3.08х106 ккал и твердое топливо, эквивалентное 0.2х106 ккал энергии. Таким образом, из 1 тонн такого сырья можно получить 0,1-0,4 тут, а также 0,8-0,9 тонны обеззараженных удобрений.

 Сегодня в сельской  местности, где особенно ощутим  нынешний топливно-энергетический  дисбаланс, одинаково необходимы  все виды топлива: газообразное - для отопления, жидкое - для функционирования  транспорта, твердое - для получения  теплоносителей.

Главное, что биогазовая технология переработки и обеззараживания  отходов животноводства, себя окупает  не только газом и производимым экологически чистым удобрением. Эта технология обеспечивает экологическое благополучие: иначе пришлось бы строить и навозохранилища, очистные сооружения, тратить большие  деньги и очень много энергии.

Биореактор объемом 50 м3 дает в сутки 100 м3 биогаза, из которых на долю "товарного" газа, приходится в среднем около 70 м* (остальное идет на подогрев реактора), что составляет 25 тыс. м3 в год - количество, эквивалентное 16,75 т жидкого топлива.

Если капитальные вложения в строительство установки распределить на 15-летний срок ее эксплуатации и  учесть эксплуатационные расходы и  расходы на ремонт (1 % от стоимости  оборудования), то экономия от замены биогазом жидкого топлива очень высокая.

При таком подсчете не учитывается  предотвращение загрязнения окружающей среды, а также увеличение урожайности  в результате применения получаемого  высококачественного удобрения.

Биогазовые технологии решают ряд социально-экономических и  природоохранных задач: экономию и  комплексность использования топливно-энергетических и других природных ресурсов (земельных  и водных); создание новых интенсивных  технологий производства сельскохозяйственной продукции вне зависимости от погодно-климатических условий; снижение негативного воздействия теплового загрязнения на окружающую среду.

Особенность биогазовых технологий в том, что они не являются чисто  энергетическими, а представляют комплекс, охватывающий решение как энергетических, так и экологических, агрохимических, лесотехнических и других вопросов, и в этом состоит их высокая  рентабельность и конкурентоспособность.

Биогаз – это здоровье в доме. В результате утилизации навоза в биогазовых установках, а  не складирования его на приусадебных участках, падает уровень заражения  среды болезнетворными бактериями. Исчезают неприятные запахи от разложения биоотходов и мухи, личинки которых выводятся в навозе.

Биогаз – это чистота  кухни. Пламя от горения газа не коптит и не содержит вредных смол и химических соединений, поэтому кухня и посуда не пачкаются копотью. Снижается  риск респираторных и глазных  заболеваний, связанных с дымом.

Биогаз – это источник плодородия огорода. Из нитритов и нитратов, содержащихся в навозе и отравляющих  ваш урожай, получается чистый азот, который так необходим растениям. При переработке навоза в установке  погибают семена сорняков, и при  удобрении огорода метановым  флюентом (переработанным в установке навозом и органическими отходами) у вас будет уходить гораздо меньше времени на прополку.

Биогаз – доходы из отходов. Пищевые отходы и навоз, которые  скапливаются в хозяйстве, являются бесплатным сырьем для биогазовой установки. После переработки мусора вы получаете  горючий газ, а также высококачественные удобрения (гуминовые кислоты), являющиеся основными составляющими чернозема.

Биогаз – это независимость. Вы не будете зависеть от поставщиков  угля и газа. А еще экономите  деньги на этих видах топлива.

Биогаз – это возобновляемый источник энергии. Метан можно использовать для нужд крестьянских и фермерских хозяйств: для приготовления пищи; для подогрева воды; для отопления  жилищ (при достаточных количествах  исходного сырья – биоотходов) .

Сколько же можно получить газа из одного килограмма навоза? Исходя из того, что на кипячение одного литра воды расходуется 26 литров газа:

- с помощью одного килограмма  навоза крупного рогатого скота  можно вскипятить 7,5-15 литров воды;

- с помощью одного килограмма  навоза свиней – 19 литров воды;

- с помощью одного килограмма  птичьего помета – 11,5-23 литра  воды;

- с помощью одного килограмма  соломы зернобобовых можно вскипятить 11,5 литров воды;

- с помощью одного килограмма  картофельной ботвы – 17 литров  воды;

- с помощью одного килограмма  ботвы томатов – 27 литров воды.

Неоспоримое преимущество биогаза  – в децентрализованном производстве электроэнергии и тепла.

Процесс биоконверсии кроме энергетической позволяет решить еще две задачи. Во-первых, сброженный навоз по сравнению с обычным применением, повышает на 10-20% урожайность сельскохозяйственных культур. Объясняется это тем, что при анаэробной переработке происходит минерализация и связывание азота. При традиционных же способах приготовления органических удобрений (компостированием) потери азота составляют до 30-40%. Анаэробная переработка навоза в четыре раза - по сравнению с несброженным навозом - увеличивает содержание аммонийного азота (20-40% азота переходит в аммонийную форму). Содержание усвояемого фосфора удваивается и составляет 50% общего фосфора.

Кроме того, во время сбраживания  полностью гибнут семена сорняков, которые всегда содержатся в навозе, уничтожаются микробные ассоциации, яйца гельминтов, нейтрализуется неприятный запах, т.е. достигается актуальный на сегодня экологический эффект. 

3. Перспективы развития биогазовых технологий в России

По результатам исследований Института энергетической стратегии  РФ общее количество органических отходов  агропромышленного комплекса (АПК) России в 2005 г. составило 225 млн т (в расчете на сухое вещество; по энергосодержанию эквивалентно 80,6 млн т н.э.), включая:

 – птицеводство –  5,8 млн т;

 – животноводство  – 58,3 млн т;

 – растениеводство  – 147 млн т;

 – перерабатывающая  промышленность 14 млн т.

Количество ТБО городов  составило 16 млн т, осадки коммунальных стоков – 4,9 млн т.

 Как свидетельствуют  приведенные выше данные, наибольшую  массу среди органических отходов  АПК занимают отходы растениеводства  (солома, стебли, лузга и т.д.). Их  переработка в биогаз одновременно  с отходами животноводства и  птицеводства требует универсальной  биогазовой технологии и соответствующего  оборудования.

Исследование современного АПК России, проведенное Институтом энергетической стратегии, показало, что  до 50% производимой основной продукции  приходится на индивидуальные крестьянские хозяйства. Поэтому развитие биогазовой промышленности будет идти по двум направлениям: создание крупных биоэнергетических  станций и создание фермерских и крестьянских биогазовых установок.

Россия находится в  зоне рискованного земледелия и по климатическим условиям, и по характеристике большая часть почв – малоурожайные  подзолистые почвы, требующие постоянного  внесения органических удобрений. Поэтому  в средних и северных регионах Европейской России, в земледельческих  районах Сибири потребность в  органических удобрениях будет постоянной, и она будет определяющей в  развитии биогазовых технологий. Использование  таких технологий и созданного на их основе оборудования позволит в  ближайшие годы: полностью решить в сельской местности проблему всех органических отходов, включая коммунальные стоки и ТБО, обустроить дома сельских жителей современными санитарно-гигиеническими системами европейского типа и оказать  существенную помощь в решении проблем  энергосбережения.

Прогресс в использовании  биогазовых установок привел к существенному  повышению эффективности их работы. Возможность решения не только энергетических (производство электроэнергии и тепла  путем сжигания биогаза), но и экологических (утилизация отходов с/х и пищевой  промышленности) и агрохимических (производство удобрений) проблем позволили значительно повысить рентабельность таких установок и существенно сократить сроки окупаемости. Кризисные явления в экономике России так и не остановили рост тарифов естественных монополий, что еще больше повысит привлекательность биогазовых установок в новых экономических реалиях.

Заключение

Биогаз если не полностью, то хотя бы частично может обеспечить потребности сельских жителей, владельцев дачных и садовых участков в топливе. Очень хорошо он подходит и в качестве альтернативного и экологичного топлива для различного автотранспорта. Кроме того, при производстве биогаза отходы полностью идут в дело, в результате не только улучшается санитарное состояние территории, уничтожаются возбудители инфекционных заболеваний, исчезает неприятный залах гниющих растений, гибнут семена сорняков, но и образуются ценнейшие высококачественные органические удобрения, обладающие повышенным гумусным потенциалом.

Список литературы

1. В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер Биогаз. Теория и практика.

2. Barbara Eder. Heinz Schulz. 1996. Перевод на рус. Биогазовые установки. Практическое пособие.

3. Целевая программа «Развития  биотехнологий в РТ на 2010-2020 годы».

4. Бобович Б.Б., Рывкин М.Д. Биогазовая технология переработки отходов животноводства / Вестник Московского государственного индустриального университета. № 1, 1999.

5. Шен М. Компогаз - метод брожения биоотходов / “Метроном”, № 1-2, 1994, с.41.

6. Оценка энергетического потенциала использования отходов в Новосибирской области: Институт энергоэффективности. - http://www.rdiee.msk.ru.

7. Федоров Л., Маякин А. Теплоэлектростанция на бытовых отходах / «Новые технологии», № 6 (70), июнь 2006 г.

8. Чумаков В Л , Биогаз как альтернативное моторное топливо [Текст] / Чумаков В Л , Имад С С Белаль // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ им Горячкина Агроинженерия №3(18)2006-С 85-90

9. Девянин С Н , Газ и удобрение из биотходов [Текст] / Девянин С Н , Чумаков В Л , Имад. С С белаль // Сельский механизатор № 9 2007 С 11-12.

10. Чумаков В Л , Эффективное использование продуктов анаэробного сбраживания навоза [Текст] / Чумаков В Л , Имад С С Белаль // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ им Горячкина Агроинженерия № 3(23) 2007 - С 72-77

11. Чумаков В Л , Способы очистки биогаза [Текст] / Чумаков В Л , Имад С С Белаль, //Тракторы и сельскохозяйственные машины / ISSN 0235- 8573 2007 № 10 С 5-6