РОЗДІЛ 27. Технології продуктування біогазу

27.1. Став та перспективи виробництва бїогазу.

Під час енергетичної кризи в багатьох регіонах країни значно зменшилось використання поновлюваних джерел енергії, навіть тих, що мали певне поширення в минулому (малі ГЕС, вітрові установки, дрова та ін). У багатьох населених пунктах ліквідовано паливні склади, особливо дров'яні, значно зменшено використання малих ГЕС та вітрових установок, що викликало додаткові проблеми енергозабезпечення та необхідність їх заміни. Разом з тим, навіть у цей час інтенсивно продовжується газифікація населених пунктів. Масова несплата за газ призводить до того, що вже цілі села відключають від магістральних газопроводів і це найчастіше тоді, коли відсутні альтернативні джерела палива, що створює замкнене коло проблем. У теж час часто поруч е вітер, сонце, вода та інші потенційні джерела енергії, які постійно поновлюються і можуть замінити традиційні енергоносії. Необхідно лише змусити ці джерела енергії служити для потреб людини [15,16,71]. Газифікація сільської місцевості останнім часом якщо й здійснюється, то переважно скрапленим пропан- бутаном (газом у балонах) метод самодоставки. Існуючий на селі дефіцит палива молена зменшити завдяки такому відновлюваному і дуже потужному джерелу енергії, як біогаз. Це - один з продуктів анаеробного (без доступу кисню) бродіння гною або пташиного посліду при температурі 30 • 370С. У цих умовах під дією наявних у біомасі бактерій частина органічних речовин розкладається з утворенням метану (60-70 %), углекіслого газу (30-40 %), невеликої кількості сірководню (0-3 %), а також домішок водню (аміаку і окислів азоту). Біогаз не має неприємного запаху. Теплота згоряння 1 м3 газу досягає 25 МДж, що еквівалентно згорянню 0,6 л бензину, 0,85 л спирту, 1,7 кг дров або використанню 1,4 кВт / електроенергії [14]. У зв'язку з вищесказаним, особливе значення сьогодні набувають нетрадиційні, поновлювані джерела енергії. Не зменшуючи значення інших нетрадиційних джерел енергії, хочемо ще раз звернути увагу до можливостей біоконверсії органічних відходів за допомогою анаеробних біореакторів.

Умови України з її розвиненим тваринництвом, великою кількістю поновлюваних органічних відходів, залежністю від енергоносіїв, порівняно м'яким кліматом і ін. сприяють необхідності і можливості широкого впровадження технології біологічної переробки цих відходів. За підрахунками фахівців на Україні щорічно в галузях народного господарства утворюється понад 125 млн. тонн органічних відходів по сухій речовині. Анаеробний спосіб переробки, крім високоефективних екологічно чистих органічних добрив, дозволяє отримати ще й біогаз як альтернативне джерело енергії, при збереженні умов охорони навколишнього середовища. З літературних джерел відомо, що 1 тонна органічних відходів дозволяє отримати від 200 до 600 м3 біогазу. При отриманні з однієї тонни відходів хоча б 200 мз біогазу, переробка їх в межах України може дати 25 млрд, м3 цього палива. Переробити 100 % таких відходів практично неможливо, але наскільки більшою буде ця частина настільки великим буде і кількість отриманого біогазу. З іншого боку, для отримання такої кількості біогазу необхідно мати біореактори продуктивністю 1мЗ на день з 1мз реактора, загальним обсягом близько 70 млн. м3. Як показує досвід Китаю та Індії, де такий досвід переробки відходів найбільш поширений, переважна кількість установок там встановлюється на індивідуальних господарствах у сільській місцевості. Якщо прийняти обсяг такого реактора 8 - 10 м3, що за нашими розрахунками є достатнім для приготування їжі сім'ї з 5 - 7 осіб, то для повної переробки відходів на Україні їх необхідно 7 - 9 млн. шт. Маючи таку кількість установок, можна повністю забезпечити господарські потреби сільського населення біогазом власного виробництва, як це планувалося в Англії ще на 1990р. Реально ця кількість реакторів значно зменшится за рахунок зосередження відходів на великих фермах, каналізаційних системах, або в результаті кооперації фермерів, де їх переробка може здійснюватися в установках значно більшого обсягу, як нерідко має місце в розвинених країнах [16,71]. Не відкидаючи значення великооб'емних установок, хочемо привернути увагу до малогабаритних. З нашої точки зору вони мають ряд переваг: дешеві, доступні для будівництва індивідуальним або промисловим способами, прості і безпечні в обслуговуванні, а продукти переробки - біогаз і, особливо, високоякісні органічні добрива, будуть безпосередньо використані на потреби фермерського господарства без значних витрат на їх транспортування. В Україні на жаль експлуатується лише незначна кількість таких установок, накопичено ще недостатній досвід для вибору конструкції і режимів роботи і тому для збільшення масштабів переробки необхідно об'єднати зусилля як державних, так і фермерських і комерційних структур. Сьогодні в Європі зосереджено 44% світової кількості установок анаерооного зброджування, в Північній Америці - 14%. Працюючі в країнах ЄС промислові біогазові установки за ознакою походження використовуваних відходів можна розділити на кілька груп. Основними є наступні три: агрохарчова група (67,5%), група нехарчової промисловості (15%) і непромислова група (9,6%). У Данії на жовтень 1999 діяло 20 централізованих біогазових установок, введених в дію в період з 1984 по 1998 р. Концепція централізованих біогазових установок (заводів) передбачає транспортування біомаси від декількох постачальників навколишніх фермерських господарств, а також частково від муніципальних і промислових підприємств. На такому заводі передбачено централізоване зберігання гною і збродженого осаду. Зброджений осад навесні і восени забирають фермери для використання його як добрива. З 20 заводів тільки 4 працюють зі збитком: два через невдалу конструкцію, яка не дозволяє працювати стійко і тягне за собою великі експлуатаційні витрати, решта - через великі виплат по кредитах, узятих для реконструкції. Слід зазначити, що уряд Данії схвалює і фінансово підтримує будівництво таких заводів (державна субсидія у середньому складає приблизно 20 % від кошторису будівництва). Крім централізованих біогазових заводів з 1994 р. розвивається концепція будівництва маломасштабних фермерських установок з об'ємом метантенков 150-200 м. На 1997 р. в Данії діяло 20 фермерських установок, які виробляли і тепло- та електроенергію. У м. Лінчепінге (Швеція) пущений перший на планеті поїзд, що працює на біогазі. Розробники вдосконалили старий поїзд Fiat, замшивши дизельні двигуни на два автобусних, перероблених під газове паливо. Нова модель здатна проходити без дозаправки більше 600 км. При цьому вона в змозі розвивати швидкість до 130 км/ч. Состав курсує між Лінчепінг і Вестервік, " харчуючись " з навколишніх полів. На цих полях ростуть жито й пшениця, спеціально посаджені для "харчування" цього незвичайного поїзда. Шведи вважають, що їх ноу -хау допоможе вирішити глобальну проблему браку палива. В Італії з кінця 80 -х років почали впроваджувати нове покоління біогазових установок, орієнтованих на переробку відходів свиноферм. На 1998 р. було побудовано S централізованих біогазових установок і близько 50 фермерських. З метою зниження капітальних витрат в якості корпусу метантенков використовуються існуючі бетонні ємності, які накриваються пластиковим куполом. Як правило, обсяг такого метантенка близько 600 м3, одержуваний біогаз використовується в когенераційних установках для вироблення близько 30 кВт / год електроенергії і 120 кВт / год тепла. В Італії в даний час немає державної програми розвитку біогазових установок, але Італійська електрокомпанія зобов'язана купувати електроенергію, вироблену з біогазу, за ціною на 80 % вище ціни для споживачів. У Німеччині працює близько 400 сільськогосподарських біогазових установок з об'ємом метантенка 600-800 м3. З 1995 по 1998 р. було побудовано 8 централізованих біогазових заводів. На початок 1998 р. сумарна ємність всіх працюючих метантенків становила 190 тис. мз. За оцінками експертів, у Німеччині існує необхідність у будівництві щонайменше 220 тис. біогазових установок, з яких 86 % повинні переробляти гній. При здійсненні цих планів частка біогазу може досягти 11 % загального обсягу споживання газу в Німеччині. В Австрії до 1997 р. діяли 46 переважно фермерського типу біогазових установок. У 1997 р. було введено в дію 10 установок фермерського типу і S великих. Передбачається збільшити кількість біогазових установок до 130. В Австрії немає національної програми підтримки будівництва біогазових установок, однак їх будівництво підтримують Міністерства сільського господарства та екології. Фінансову підтримку надають федеральні сільськогосподарські організації і банки. У 2010 р. в ЄС намічено отримати додаткової енергії за рахунок використання біомаси 90 млн. т нафтового еквівалента (н.е.), з них 15 млн. т н.е. • за рахунок використання біогазових установок. У зв'язку з енергетичною кризою, що охопила Каліфорнію з осені 2000 р., місцеві фермери приступили до вироблення електроенергії з гною. Вперше досліди з виробництва електроенергії з гною були проведені ще 25 років тому, проте метод не отримав широкого застосування через його низьку ефективність. За минулі чверті століття в результаті робіт, проведених групою дослідників університету міста Сан -Луї Обіспо (Каліфорнія), був досягнутий значний прогрес. Професор Дат Віпьямс включив в академічну програму цього навчального закладу спостереження за роботою 200 молочних ферм, де в дослідному порядку гній використовували для виробництва електроенергії. Результати досліджені показали, що очищений від соломи коров'ячий гній, якщо його накопичувати в резервуарах, під впливом певних процесів продукує комбінований газ, що складається з метану і двоокису вуглецю. Метан потім використовують для вироблення електроенергії. Каліфорнія лідирує серед штатів США у сфері природозахисту. Навіть в умовах енергокризи жителі цього штату протестують проти будівництва великих електростанцій, що працюють на звичайних видах сировини, не кажучи вже про АЕС. Виробництво електроенергії з гною відповідає стратегічному напрямку Каліфорнії на розвиток альтернативних видів енергоносіїв. Новий метод може знайти багатьох прихильників, оскільки він екологічно нешкідливий.

Потенціал виробництва енергії з біогазу до 2020р.

Основна частка потенціалу біомаси, придатної для отримання біогазу, припадає на гній (до 80%).

Біогазові технології в Росії і Україні.

В області біогазової індустрії, як і в багатьох інших областях науково - технічного прогресу, країни СНД напрацювали багатий потенціал, який так і не був реалізований. У радянські часи головним, та й єдиним в Союзі центром, де розроблялися конструкції вітчизняних біогазових установок (а також інших машин для переробки відходів аграрного виробництва) був Запорізький конструкторсько-технологічний інститут сільськогосподарського машинобудування (КПСМ). Перші спроби створення в СРСР біогазових установок відносяться до 50 - м рокам минулого століття, друга - до кінця 80 -х - початку 90-х. Але і в першому, і в другому разі через велику різницю у собівартості природного і синтетичного продуктів (біогаз виходив в п'ять разів Дорожче) роботи далі дослідних зразків не просунулися, хоча, справедливості заради, треба сказати,.що навіть якщо ціну на одержуваний біогаз прирівняти до ціни природного газу, розрахунковий термін окупності установки дорівнював п'яти рокам [72,75,81]. Створені і випробувані в Росії біогазові установки здатні вже найближчими роками кардинально поліпшити економічні та соціальні умови в сільському господарстві. Демонструючи чи не рекордну для технологічного обладнання окупність - не більше півроку, вони попутно вирішують і серйозні екологічні проблеми. А феноменальні результати, отримані в ході розробки та випробування біогазових технологій, обіцяють підвищення врожайності сільськогосподарських культур. Щорічно в російському тваринництві та птахівництві утворюється близько 150 млн. т органічних відходів. Донедавна ці цифри характеризували виключно гостроту екологічних проблем. За даними природоохоронних служб, тільки у водойми, що живлять столицю, можуть потрапляти мільйони тонн токсичних стоків. У результаті, щоб зробити московську воду питної, необхідно дороге і теж небезвредне хімічне втручання. Навколо інших великих і середніх міст Росії ситуація навряд чи набагато краще. Ще на початку 90-х років було підраховано, що використання біогазових технологій для переробки органіки може не тільки повністю усунути її екологічну небезпеку, а й щорічно отримати додаткові 95 млн. т умовного палива (близько 60 млрд, м3 метану або, спалюючи біогаз, - 190 млрд. кВт.год електроенергії), а також більше 140 млн. т високоефективних добрив, що дозволило б істотно скоротити надзвичайно енергоємне виробництво мінеральних добрив (близько 30 % від усієї електроенергії, споживаної сільським господарством). Російський центр "Екорос" за підтримки міністерства науки (в рамках державної програми "Екологічно чиста енергетика ") сконструював дві біогазові установки. Перша зиих(ІБГУ -1) - золотий медаліст Міжнародної виставки-ярмарку "Російський фермер" - призначена для селянської садиби. Установка переробляє всі органічні відходи тварин і птиці (5-6 корів, або 50-60 свиней, або 500-600 курей), а також всі комунальні стоки і тверді побутові відходи (крім металу і скла). Модульний принцип, закладений в конструкції, дозволяє при необхідності здвоювати установки, еквівалентно нарощуючи продуктивність. Отриманий в біореакторі газ згорає в тих же побутових конфорках і пальниках, що і звичайний. Ще більш чудовий (по всякому разі, економічно) другий продукт біоустановки - рідкі органічні добрива. Технологічний режим підібраний так, що вони виходять екологічно абсолютно чистими - без найменших слідів нітритів і нітратів, хвороботворної мікрофлори і навіть насіння бур'янів (порівняно із звичайним гноєм). А в ефективність цих добрив (1 т еквівалентна 60 т гною, крім зазначених переваг), показану в трирічних випробуваннях на самих різних культурах (помідори, огірки, полуниця, морква, смородина, агрус і т.д.), спочатку важко було повірити. Порівняно із звичайними вони збільшують врожайність мінімум в 2-4 рази. Наукове пояснення цьому було дано тільки минулого року. В одній з доповідей на Міжнародному симпозіумі в Санкт-Петербурзі була висловлена думка про те, що в реакторі установки за певних умов можуть синтезуватися так звані ауксини - речовини, що сприяють прискореному розвитку і росту рослин. Подальші дослідження цього механізму, як вважають вчені, відкриють можливості для заздалегідь програмованого отримання надефективних добрив. Але поки непоясненим залишається ще одні приємний факт: у біогазі зникає сірководень - неодмінний супутник розкладання органіки і найсильніший прискорювач корозії металевих конструкцій. Біоустановки, діючи попутно як фабрики добрив, за рік виробляють їх до 70 т. При цьому однієї тонни цілком достатньо для обробки цілого гектара земельних угідь. Заводи в Тулі і Кемеровській області вже випустили перші 65 таких установок. Відповідно в цих областях, а також на Алтаї і в Підмосков'ї починає складатися ринок добрив. Як показує досвід, за півроку обладнання окупається повністю. Відповідно до маркетингових досліджень, потреба в біогазових установках такого типу, здатних працювати в будь-яких кліматичних умовах, тільки по Росії на найближчі 5 років складе близько 50 тис. штук. Серйозний інтерес до російських біогазовим установкам вже проявили декілька країн СНД (зокрема, Казахстан і Білорусь), Об'єднані Арабські Емірати, ПАР, а також країни Північної Європи - Данія і Фінляндія. Але саме визнання російських досягнені прийшло з Китаю - світового лідера з освоєння біогазових технологій. З однією з китайських фірм вже досягнута домовленість про те, що вона буде вилускап біогазові установки на основі російських розробок [75]. Заводська ціна на біоустановки садибного та фермерського типу - відповідно 20 і 120 тис. руб. Навіть при піврічний окупності вони поки не мають масового попиту. Розвиток ринку стримується двома чинниками - недоступністю кредиту, а найголовніше - відсутністю приватної власності на землю і земельних банків. В області біогазової індустрії України напрацювала багатий потенціал, який так і не був реалізований. Зібрані вченими данні полягли в основу створення декількох лабораторних та дослідних установок. Зокрема, на птахофабриці " Київська" була споруджена установка з об'ємом реактора 15 м3, яка давала можливість шляхом переробки курячого посліду отримувати 60 м3 газу на добу. У господарстві "Росія" (Золотоніський р- н Черкаської обл.) деякий час працювала установка, що представляє собою переобладнані очисні споруди. Вона мала обсяг реактора 170 м3 і виробляла зі свинячого гною 200 м3 газу на добу. Можна відзначити і понині діючу малу установку, змонтовану у дворі в місті Обухові (Київська обл.) в сім'ї Герасимця. Потужності цієї установки (обсяг реактора - 2,5 мз) вистачає для переробки гною отриманого від міститячихся на особистому подвір'ї худобини (корови, кількох свиней, домашньої птиці), і вироблення газу для побутових потреб. Велика біогазова установка побудована на свинофермі компанії "Агро – Овен" в селі Оленівка, Магдалинівського району, Дніпропетровської області в рамках проекту технічної допомоги уряду Нідерландів. Обладнання поставлено компанією BTG, Нідерланди; проектні роботи виконані в УкрНДІагропроект; шефмонтаж, наладка і навчання виконуються спільними зусиллями BTG, НТЦ "Біомаса" і УкрНДІагропроект. Установка призначена для обробки 80 т / добу гнойових стоків свиноферми з поголів'ям 15 тисяч свиней. Передбачуваний вихід біогазу становитиме 3300 НМз / добу. До складу обладнання входять два метантенка (реактора) по 1000 м3 кожен, дві когенераційні установки електричної та теплової потужністю відповідно 80 і 160 кВт кожна, система зневоднення збродженого гною. Один метантенк займає площу 335 м2 ( 18.3x18.3 м). Котловани, в яких поміщаються реактори, мають площу підстави в 177 м2 (13.3x13.3 м). Кут нахилу котловану становить 45 градусів. Глибина реактора нижче поверхні грунту - 2.5 м, загальна висота конструкції - 3.6 м. У реакторах підтримується температура 32-34 ° С для дотримання незофильного бактеріального процесу. Гнойові стоки подаються в метантенки через загальну змішувальну ємність. Середній вміст сухої речовини в стоках складає 11.6 %. Для запобігання поділу стоків на фракції в метантенке, гній періодично перемішується. Час утримання становить близько 25 днів. Утворений біогаз збирається газгольдером, розташованим над метантанком. Газгольдер складається з двох шарів плівки. Незначна кількість сірководню, присутнє в біогазі, віддаляється за допомогою мікробіологічної аерофільної системи очищення. У процесі транспортування до газового двигуна в біогазі також видаляється водяний конденсат. Теплота, вироблена двигуном, використовується для нагріву метантенка (10 % в літній, і до 50% в зимовий період) і обігріву ферми в зимовий час. До складу біогазової установки входить устаткування для зневоднення, з допомогою якого зброджена маса розділяється на рідку і тверду фракції. Рідка фракція може перекачуватися по трубопроводах на найближчі поля як добрива. Тверда фракція, яка також представляє собою високоякісне добриво, може транспортуватися на великі відстані або продаватися в інші господарства. Використання установки призводить до значного зниження викидів парникових газів в атмосферу. Ефект досягається за рахунок зниження викидів метану в порівнянні з традиційною технологією зберігання свинячого гною у відкритих картах (413 т / рік метану або 6320 т / рік С02- еквіваленту), а також за рахунок заміщення викопних видів палива при використанні біогазу для виробництва енергії (976 т / рік С02 - еквіваленту). У Дніпропетровському національному університеті на кафедрі двигунобудування та Інституті енергетики спільно з Дніпропетровським Хіміко-технологічним університетом та Обласной державної нспекціей з енергозбереження виконаний цикл робіт з удосконалення установки для анаеробного зброджування рідких відходів тваринницької ферми [73,76]. Проаналізовано різні форми реактора (Р) і матеріали з яких він виготовляється. Розроблено рекомендації щодо вибору форми, розмірів, конструкції і матеріалу. Розглянуто також розташування реактора: вертикальний, горизонтальний, похилий, пов'язані зі способом завантаження і вивантаження реактора. Проаналізовано головні фактори, що впливають на продуктивність біоенергетичної установки (БЕУ).

1. Реакційна активність мікроорганізмів.

2. Хімічний склад і розміри частинок біомаси.

3. Час бродіння біомаси в реакторі.

4. Концентрація мікроорганізмів в реакторі.

5. Спосіб і ефективність перемішування реакційного середовища.

6. Швидкість завантаження сировини.

7. Температурний і кислотний (pH) режими.

8. Наявність живільних і отруйних речовин.

Обговорено вибір основних параметрів: оптимальні параметри біомаси, час бродіння, спосіб перемішування, температурний і кислотний режим бродінні. Розроблено вимоги до безпеки роботи БЕУ у відповідності з нормами і стандартами України, правила приймання в експлуатацію та випробувань. Розроблено рекомендації щодо акумулювання біогазу та зберіганню. Фінансові вливання в біогазову галузь України поки відбуваються тільки за кордону. Ось кілька прикладів цього. УБА отримала підтвердження від своїх шведських партнерів про готовність виділити обладнання на суму 2 млн. шведських крон як безоплатної технічної допомоги. Шведи навіть згодні, щоб конструкція цієї біогазової установки була українською.

Таблиця 27.2.

Потенціал можливих біогазових установок в Україні

За участю німецького інвестора відновлюється свиноферма в Стрийському районі Львівської області: ферма буде обладнана біогазової установкою. У схему установки включений модуль зневоднення зброджених стоків, який дозволяє отримати зручні для зберігання і використання в якості добрив тверду і рідку фракції. Введення в дію цієї установки дозволить підприємству повністю забезпечити себе електроенергією, забезпечити теплом одне з тваринницьких приміщень і більш ніж наполовину замінити використовувані мінеральні добрива збродженим гноєм. Впровадження проекту поліпшить екологічну обстановку в районі підприємства за рахунок зниження забрудненості наземних і підземних вод.