3 Апреля 2018

Биогаз – хороший способ заботы об окружающей среде

Опубликовал К.В. Кулик

         Потребление газа во всём мире неуклонно растёт. Он необходим, как рядовым гражданам в быту для обеспечения их повседневных нужд, так и промышленности в частности. Глобализация и укрупнение производства, рост численности населения, развитие инфраструктуры – всё это приводит к одному: увеличению спроса на энергоносители и в особенности на газ. Прогнозируемое увеличение спроса на этот традиционный энергоресурс с каждым годом будет лишь расти, а вот нестабильность цен на газ далеко не в лучшую для потребителей сторону заставляет бить тревогу уже сегодня. Вовремя и успешно налаженная газификация – компонент, увеличивающий экономическую эффективность, с тем, однако, обстоятельством, что газ подводится в систему своевременно и бесперебойно.

         В современных реалиях это порой совсем недостижимо, ведь энергоносители совершенно незаменимы в инфраструктуре для полноценного функционирования практически всех её компонентов. Поэтому газ давно выступает объектом спекуляций на рынке энергоресурсов, цены на него повышаются, а специалисты разрабатывают и внедряют новые пути решения этих проблем путём получения и развития новых технологий, позволяющих решить энергетический кризис. Таким решением на пути к энергетической независимости выступает технология получения биогаза.

       Что такое биогаз и технология его получения

         Не секрет, что органические соединения под воздействием воздуха и температуры имеют свойство разлагаться. Газовая смесь, получаемая в процессе такого естественного разложения, состоит главным образом из метана. В объёмном соотношении это число составляет величину порядка 50-75%. Остальная часть состоит из CO2 и различных примесей, состав которых варьируется в зависимости от происхождения органических соединений. Если очистить газовую смесь от углекислого газа и сопутствующих примесей, будет получен «двойник» природного газа.

         Иными словами, биогаз – это горючая смесь газов, выступающая аналогом природному, образовываемая в процессе метанового брожения органики поддерживаемой искусственным способом. Это продукт жизнедеятельности анаэробных бактерий, то есть биологический процесс, существующий и в природных условиях.

         В естественной среде такой процесс в зависимости от типа и происхождения органических соединений  длится месяцами, порой годами, столетиями. Чтобы значительно ускорить данный процесс до нужного временного интервала, в производстве биогаза используют несколько видов бактерий, в цикле жизнедеятельности которых и вырабатывается целевой горючий состав. Работает это таким образом, что в биореакторе создаётся среда, комфортная для жизнедеятельности трёх видов бактерий, вместе образующих трёхэтапную пищевую цепочку. В нём поддерживается благоприятный для жизнедеятельности микроорганизмов  уровень температуры, составляющий от 25 градусов до 70, и того, чем они будут питаться – биомассы. Эту смесь веществ для их питания называют биосубстратом. Для его получения используются самые различные органические отходы: к ним относят технический глицерин, остающийся от производства биодизеля; канализационные отходы; навоз; жом, оставшийся после производства соков; лактоза и прочие отходы молокозаводов, кровь, кишки, жир и иные отходы рыбной промышленности и производства мяса; овощные очистки, выжимка, трава, силос. Кроме этого, существует практика выращивания специальных энергетических культур для биореакторов.

         Довольно часто в биогазовом производстве используется сырьевой состав из силоса с навозом. Силосная кукуруза обеспечивает большие и регулярные урожаи а также высокое содержание в производимом от неё газе метана. Она экономически выгодна, поскольку стоимость получения из кукурузы биометана наиболее низка по сравнению с другими видами культур. Из 15 тонн сухого вещества этой зерновой культуры можно выделить объём биогаза, что будет эквивалентен нефти количеством 4,5 тонны. Навоз в процессе брожения образует до 70% метана, поэтому комбинация этих двух типов сырья для биореактора экономически и энергетически выгодна для быстрой окупаемости недешёвой зачастую установки, если мы говорим о крупном её размере.

         Состав биосубстратов индивидуален. Его нужно подбирать в зависимости от целей, для которых используется установка и ресурсов, доступных для утилизации.

         В производстве биогаза огромное значение имеет качество сырья, используемого в производстве, а также его состав. Нужно понимать, каким будет соотношение в биомассе белков, углеводов и жиров. Благодаря лабораторному анализу можно определить количество газа, который можно получить из вида сырья, которое планируется использовать. Но в силу особенностей технологии процесса, совершаемого в установке, подсчитать такие параметры как удельный выход и состав биогаза абсолютно точно подсчитать не представляется возможным. Лабораторные исследования моделируют технологический процесс добычи биогаза. Данные, полученные на этом этапе обрабатываются, и включаются данные статистики по использованию больших биогазовых установок, затем идут расчёты по конкретной проектируемой биоустановке. В этих расчётах роль играют две величины – сухое вещество и сухой остаток. Чем больше сухого вещества, тем больше биогаза будет получено. Поэтому использование в биореакторе жидкого навоза –  неэффективно. В отличие от него, к примеру, одна тонна энергетических растений даст 230 кубометров биогаза.

         Возвращаясь к самому процессу выделения биогаза, следует вновь упомянуть о роли микроорганизмов в его производстве. В своей пищевой цепочке питание каждого вида бактерий образовывают отходы жизнедеятельности предыдущего. Их всего три типа: гидролизные бактерии, кислото- и метанообразующие. В природных условиях такие анаэробные бактерии существуют в кислотной среде желудков животных, или на дне водоёмов. Анаэробность – это способность брожения органических веществ без доступа к ним кислорода. Поэтому для работы биореактора не нужен воздух.

         Производство биогаза – дело тонкое, поскольку на качество целевого вещества влияют не только такие факторы, как состав сырья, но и поддержание достаточно комфортной среды для наиболее продуктивного существования в биореакторе бактерий. По превышению предельно допустимых концентраций щёлочных и кислотных соединений они могут погибнуть. Значительное влияние также оказывают температурный градиент и степень герметичности реактора. Поэтому большую роль в организации процесса метанового брожения для получения биогаза в больших объёмах играют различные автоматизированные системы контроля состава сырья, условий и выходимого продукта.

         Теплотворная способность биогаза и природного газа разнится и в соотношении с ним составляет 2/3. Поэтому чтобы заменить определённый объём природного газа биогазом, его объём должен составлять величину в 1,5 раза больше. Поскольку биогаз содержит меньше метана, чем природный газ, то и для его горения соответственно требуется меньше воздуха. Поэтому для бытовых газовых приборов вся разница работы на биогазе будет составлять лишь только уменьшение подачи воздуха в горючую смесь.

         Вероятность взрывоопасности биогаза в сравнении с природным газом не столь велика. При утечке биогаз за счёт своей плотности, которая меньше плотности воздуха, будет стремиться вверх или вообще расслоится.

         Биометан, получаемый удалением из биогаза CO2 и газовых примесей, идентичен метану в составе природного газа. Однако процесс его получения из биогаза порой весьма дорогостоящий, поскольку отделение углекислого газа в больших объёмах ресурсозатратная процедура, помимо этого образующая множество отходов реакции, если говорить о методе очистки химическими методами. Процедура очистки биогаза и сжатия до нужных объёмов экономически обоснована и доступна лишь крупным БГУ.

         В чистом же биогазе количество примесей гораздо большее, чем в природном газе. Это влияет на многие технические характеристики использования его в качестве топлива. Такая процедура как сжатие для биогаза весьма ограничена его составом, поскольку этому мешает диоксид углерода. Заменить природный газ биогазом в автомобилях можно зачастую только перенастройкой двигателя внутреннего сгорания. Scania и Volvo давно уже выпускают такие автомобили, которые предназначены для езды на биогазе.

         Сама установка для локального использования, к примеру, в агропредприятии состоит из модульных конструкций. Немалым плюсом служит то, что в производстве биогаза из навоза  образуется естественное удобрение – дигестат. Ценность такого удобрения в его практически полной усвояемости растениями и обеззараженности, и порой превышает даже экономическую ценность вырабатываемого установкой биогаза. Решение вопроса утилизации проблемного сырья снимет некоторую часть затрат на производстве, однако существую такие условия, которые должны также соблюдаться. Такой биогазовой установке потребуется бесперебойность в подаче сырья, что делает её экономически выгодной только тем предприятиям, которые располагают к примеру большой животноводческой базой или тем, у кого это сырьё образуется постоянно, в большом количестве и дёшево.

         Наличие сырья не единственное условие эффективности. Для монтажа установки понадобится земельная площадь или участок.  Помимо этого следует позаботиться об электрификации, подъезде к установке, подводе технической воды и канализационных отводов. Подключение к электросети начинают параллельно строительству самой установки и занимает приблизительно не менее полугода или 8 месяцев. Излишки биогаза можно продавать и получать дополнительный экономический эффект, компенсирующий исходные затраты. Такой проект в среднем окупается за 5-7 лет, а к примеру, установка, которая перерабатывает промышленные отходы в биогаз на сахарном заводе окупится за 3 года.

       Роль биогазовых установок в утилизации вредных отходов

         Главное отличие биогазовых установок от всех прочих установок, использующих альтернативные источники энергии, в том, что их задача в основном заключается в производстве тепловой/электрической энергии, либо энергии двух типов. Производство биогаза решает в первую очередь проблему утилизации отходов. Тепло, вырабатываемый биореактором газ, ценное натуральное удобрение – это сопутствующие составляющие процесса. Преимущества  утилизации отходов таким образом в том, что не нужно затрачивать больших энергетических ресурсов на её осуществление, наоборот – энергия здесь выделится сама. Однако, для наших широт подогревать биосубстрат в биореакторе всё же необходимо из-за особенностей теплового баланса установки.

         То есть, функция утилизации отходов в биогазовых установках составляет не менее важную цель, чем добыча газа. Конкретно же это и есть её основная роль. Не секрет, что агропредприятия вырабатывают достаточное количество отходов, которые проблемно утилизировать в соответствии к требованиям о защите окружающей среды. Также это мероприятие затратно и трудоёмко, поэтому отходы сбрасываются порой вне установленных правил и норм экологического контроля. Между тем, такие сбросы опасны для озонового слоя и гидросферы Земли не менее, а даже больше чем промышленные выбросы предприятий. Несанкционированные сбрасывания отходов грозят не только штрафами нарушителям, но и необратимыми разрушительными процессами в экосфере, потому что метан разрушает озоновый слой гораздо сильнее CO2 –  его «разрушительность» составляет порядка 20 раз больше.

         Если же производить биогаз путём утилизации сопутствующих производству и жизнедеятельности отходов, можно не только разрешить проблему с их сбросом, но и меньше использовать покупные энергоносители. Когда мы говорим о конкурентоспособности и рентабельности предприятий, преимущество будет иметь такое производство, в котором предусмотрена «безотходная» энергетическая система, где есть место для рационального использования отработанных ресурсов.

         Таким образом, биогазовая установка может устанавливаться непосредственно на предприятии также как очистное сооружение. Для своего функционирования ей понадобится порядка 15% своей производимой энергии.

         Потенциал для установки реакторов имеют также и полигоны бытовых отходов, где производится так называемый свалочный газ. Такого типа газ нуждается в отборе из-за высокого содержания метана (порядка 50%) во избежание загрязнения атмосферы. Выделяется он при естественном гниении мусора на полигонах и свалках и способствует парниковому эффекту. Также выделение в атмосферу такого газового состава вредит здоровью людей, населяющих смежные территории, а также безопасности из-за своего взрывоопасного потенциала. Скопление таких газов крайне токсично и пагубно, и при безответственном отношении собственников свалок грозит превышением ПДК вредных химических элементов в близлежащих населённых пунктов, что может послужить локальными чрезвычайными ситуациями. Отбор и утилизация же наоборот будет эквивалентной высадке лесов и зелёных насаждений для поглощения этого же объёма свалочного газа, и заменит несколько тонн дизельного топлива, в зависимости от объёма свалочного массива.

         Биогазовые установки – такие же объекты промышленности, как и прочие установки для выработки тепла и переработки ресурсов. Для того, чтобы спроектировать данного типа установку следует учесть не только мощность и приблизительное количество целевого и затрачиваемого сырья, но и электротехнические, химические, аграрные, экономические, биологические особенности протекающих в ней процессов.

       Биогазовые установки в мире

         На сегодняшний день по использованию малых биогазовых установок лидирует Китай. Всего таких установок там уже более 10 млн. Производственная мощность этих биореакторов в целом за год составляет 14 млрд. кубометров. Это позволяет обеспечить нужды людей, проживающих в сельской местности, ввиду исторических особенностей и санитарных необходимостей, и производить его на экспорт в другие страны мира. Популярность биогазовых установок в Китае – исторический феномен. Здесь их используют с древних времён, в прибережных и сельскохозяйственных регионах страны. Именно в Китае был выпущен первый в мире научный труд, посвящённый биогазу.

         Согласно подсчётам, потребности одной семьи из расчёта на четыре человека практически полностью обеспечит одна малая установка производительностью 6-8 кубических метров. Правительство этой страны внедряет план, согласно которому биогазовые станции должны быть увеличены на 15% и к 2030 году мощность такого типа установок прогнозируемо составит 30 ГВт.

         В Европе объёмы производства биогаза на протяжении последних двух десятилетий растут. За последние 10 лет оно увеличилось в 2 раза. Европейская биогазовая ассоциация прогнозирует увеличение его доли в потреблении энергоресурсов до 5% к 2020 году.

         Подведём итоги и выделим основные преимущества использования биогазовых установок и пользу от них для окружающей среды:

  1. Энергетическая целесообразность. В условиях постоянно растущей цены на энергоносители производство биогаза из отходов позволяет экономить на других видах топлива. Это означает, что ненужное сырьё, которое ранее представляло проблему (затраты на утилизацию, сбор и транспортировка отходов, загрязняющие факторы) теперь может послужить объектом выгоды для предприятия или фермерского угодья.
  2. Тепловой потенциал оборотной воды, используемой в установках. Для охлаждения в системе циркулирует вода, которая нагреваясь до отметки в 70-80 градусов, послужит альтернативой для воды, специально нагреваемой в системах горячего водоснабжения коммунальных предприятий, поскольку её не нужно обогревать – это «побочный эффект» работы самой биогазовой установки.
  3. Электроэнергия, генерируемая без перебоев и посторонних, мешающих постоянной работе факторов. Каждый кубометр биогаза даст 2 кВт электроэнергии.
  4. Производство натуральных, нетоксичных по сравнению с другими видами удобрений, компоненты которых не вымываются из почвы быстро, и в то же время легко усваиваются растениями.
  5. Утилизация и переработка органических отходов позволяет не только получить полезный дешёвый энергоноситель, но и справиться с массой тяжёлых экологических проблем современности. Снижение выбросов метана животноводческих предприятий, риска токсичного заражения почвы и воздуха вокруг свалок бытовых отходов, переработка канализационных стоков, применение в установках предприятий очистных сооружений, вырабатывающих биогаз – повод постепенно переходить на эти технологии на практике и успешно применяется в развитых странах мира, и странах на пути развития. Это осознанный подход к тем вещам, которые происходят в мире и внесение позитивных изменений в целом деструктивное поведение человека в экосфере.

         Путь развития современных технологий немало зависит от отношения общества к таким вопросам, как и популяризации такой идеи, что экономить и получать выгоду можно даже на отходах. Единственным минусом, пожалуй, является то, что при наличии большого сырьевого потенциала различных отходов в странах, где преобладает консервативное общество, переход от покупки и использования традиционных энергоносителей на увеличение доли нетрадиционных в энергетике должен занять какое-то время и показать высокую стабильность наряду с прочими выгодами.