Постоянные повышения цен на газ , структурные кризисы и рыночные спекуляции на фоне политической нестабильности послужили толчком для развития технологий получения газа искусcтвенно, через использование отходов разных производств. За два десятилетия бурного развития биогазовая отрасль стала мощной, и инженеры разработали технически надежные решения производства достаточного количества энергии из биоотходов децентрализовано. Сегодня в Германии функционирует более 7 000 биогазовых установок мощностью от 500 кВт/час до 2 МВт/час. Биогаз производится на биогазовых установках везде, где доступны биоотходы или энергетически ценное растительное сырье.

Что такое биогаз?

Биогаз – обобщенное название горючей газовой смеси, получаемой при естественном разложении веществ органического происхождения в результате анаэробного микробиологического процесса (метанового брожения). Для того, чтобы процесс разложения не длился тысячи лет, а исчислялся днями, для жизнедеятельности нескольких видов бактерий создают наиболее благоприятные условия. Температуру жизни и «еду» для бактерий готовят тщательно. Смесь, которую загружают в биореактор называется биосубстрат . Биосубстрат чаще всего состоит из смеси навоза и измельченного кукурузного силоса (на фото слева).

Сегодняшние биогазовые установки все больше проектируются с целью утилизации бытовых органических отходов, поэтому состав биосубстрата подбирают для БГУ индивидуально.

Процесс выделения биогаза можно наблюдать через небольшое окошко в ферментере.

Процесс химических преобразований внутри биогазовой установки отражает такая схема:

Маленькие пузырьки на поверхности плавно двигающегося биосубстрата, это и есть биогаз.

Биогаз – это всегда смесь метана с другими побочными газами. В состав биогаза входят:

В зависимости от вида органических компонентов для биосубстрата, который использует БГУ, состав биогаза может отличаться, процентное содержание метана может быть или выше или ниже.

Так как биогаз на 2/3 состоит из метана – горючего газа, составляющего основу природного газа, его энергетическая ценность (удельная теплота сгорания) составляет 60-70% энергетической ценности природного газа, или порядка 7000 ккал на м 3 . Эквивалентом для 1м 3 биогаза может быть 700 гр мазута и 1,7 кг дров.

Для сравнения:

• Одна голова КРС дает в год 300-500 м 3 биогаза в год
• Один га луговой травы – 6000-8000 м 3 биогаза в год
• Один га кормовой свеклы – 8000-12000 м 3 биогаза в год

Зачем использовать биогаз?

В условиях высокой стоимости энергоносителей, а с другой стороны возрастающего количества органических отходов от сельского хозяйства и от человеческой жизнедеятельности (это все возобновляемые источники энергии), б иогаз выступает важным продуктом - как альтернативная энергетика. Самая важная функция Биогазовой установки - это гарантированная энергетическая безопасность как отдельного производства (свинофермы, теплицы, зернохранилища), так и в масштабах небольших населенных пунктов – ключевой объект жизнеобеспечения, который обеспечит полное децентрализованное снабжение электро- и теплоэнергией всех жителей. В сегодняшних кризисных условиях развития Украины этот фактор приобретает особую силу.

Какая польза от биогазовой установки?

1. Тепло. При охлаждении двигателя когенератора, в котором сжигают биогаз, образуется тепло в виде горячей воды. Горячую воду используют для обогрева помещений с людьми и животными, для обогрева теплиц, бассейнов.
2. Электричество . Независимый и гарантированный источник. Никаких веерных отключений электричества. Сжигание газа в двигателе внутреннего сгорания приводит в действие вал электрогенератора, образуется электроэнергия. Из одного м3 биогаза можно выработать около 2 кВт электроэнергии.
3. Природный газ . Современные биогазовые установки все чаще оснащают модулями для очистки биогаза. В результате нескольких технологических операций содержание метана увеличивается до 90 %, побочные газы удаляются. Биогаз превратился в стандартный природный газ, и его можно использовать в бытовых целях.
4. Органические удобрения . Биосубстрат, после удаления из него газа и обработки бактериями, представляет собой экологически чистые, жидкие удобрения лишенные нитратов, семян сорняков, болезнетворной микрофлоры.
5. Решение экологических проблем . Утилизация навоза. Биогазовые установки устанавливаются на очистных сооружениях сточных вод городов, в сельской местности на фермах, птицефабриках, мясокомбинатах для обеспечения энергетической независимости, производства электроэнергии и тепловой энергии из отходов производства.

Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу, снизить применение химичесих удобрений, ликвидирует опасность загрязнения грунтовых вод.

Самым важным для экономики Украины является то, что биогаз является побочным продуктом при переработке органических отходов, сырье для производства биогаза в основном уже есть на предприятии, его не надо покупать.

На чем работает биогазовая установка? - На отходах!

В качестве сырья используются: сельскохозяйственные отходы (навоз, помет животноводческих ферм и комплексов, отходы растениеводства (силос)), отходы боен, отходы пищевой промышленности (барда, жом), отходы городских канализаций. Затраты на производство биогаза будут связаны только с эксплуатационными расходами на оборудование и на сервисное обслуживание. Прямая выгода будет состоять из сэкономленных средств на тепло, электроэнергию и из экономии затрат на минеральные удобрения за счет получения высококачественных органических удобрений.

При отсутствии таких установок, утилизация отходов – большая головная боль предприятий, большие финансовые и трудовые затраты на вывоз и захоронение отходов, а ведь использование отходов и внедренная биогазовая установка полностью решает эту проблему, плюс обеспечивает предприятие и близлежащие населенные пункты электричеством, газом и теплом.

От одного животного (КРС) можно получить около 400 - 500 м3 биогаза. При применении энергетических растений можно получить от 6.000 и до 12.000 (кукурузный силос/кормовая свекла) м3 биогаза с одного гектара. С 1 м3 биогаза, в зависимости от содержания метана, можно выработать от 1,5 до 2,2 kW электричества.

Небольшие биогазовые установки имеет смысл применять там, где есть возможность получить сырье и полное использованиие полученных продуктов. Успешно применяются установки там где необходимо тепло, пар, электроэнергия или холод. Обычно достаточное количество сырья для биогазовых установок имеется у станций очистки сточных вод, на свалках мусора, на свинофермах, птицефабриках, в коровниках - это все возобновляемая энергия. Применение эта энергия находит в школах, медицинских учреждениях, бассейнах, коммунальных теплоэлектростанциях, в гостиницах и общежитиях, на заводах и фабриках.

С каждым днем количество потребления электроэнергии непрестанно растет. Возрастают и нормы потребления, однако рано или поздно сырье для выработки электричества закончится. Хорошей альтернативой различному сырью для электроэнергии может стать биогаз.

Что такое биогаз?

Биогаз – альтернативный, нетрадиционный источник энергии. Такой вид добычи энергии был известен еще во времена Древнего Китая, однако после долгих лет он был благополучно забыт. А как говориться: «Все новое – хорошо забытое старое».

Биогаз – продукт, получаемый в результате анаэробной ферментации органических веществ. Весь этот процесс происходит без участия воздуха.

Примером биогаза может служить газ, который выделяется при ферментации навоза или других бытовых отходов. Такой газ вполне может послужить источником энергии в сельском хозяйстве.

Как производится биогаз?

Производство биогаза - способ переработки различных органических и животных отходов с получением биотоплива и органических удобрений. Такой вид получения энергии – решение многих вопросов: экологии, капитала и агрохимии. В основе биохимической реакции лежат процессы гниения навоза и помета в анаэробных условиях. При этом используется группа анаэробных микробов, которые помогают преобразовывать фосфорсодержащие, калийсодержащие и азотсодержащие в чистые формы. Такие формы фосфора, калия и азота намного лучше всасываются растениями, а также полностью уничтожают вредителей. Конечно, для того, чтобы удобрять землю, лучше использовать отходы от производства биогаза. Так вы не используете ни нитраты, ни нитриты.

Так выглядит процесс производства биогаза

Емкость, в которой происходит получение биогаза, называется метантенком, или реактором . Если следовать правилам производства, выход биогаза составляет около двух-трех м3 с одного м3 органических отходов.

Факторы, которые оказывают влияние на процесс брожения:

• уровень рН;
• температура;
• соотношение углерода, азота и фосфора;
• площадь поверхности частиц сырья;
• влажность среды;
• частота подачи субстрата;
• замедляющие вещества;
• стимулирующие добавки.

Характеристика биогаза

Биогаз - смесь углекислого газа и метана. Является продуктом метанового брожения органических веществ животного и растительного происхождения. Метановое брожение является результатом природного действия анаэробных бактерий. Данный процесс протекает при температурах от 15 до 60 градусов в трех диапазонах:

• 15-30 градусов - психрофильное;
• 30-45 градусов - мезофильное;
• 45-60 градусов - термофильное.

Распад органических веществ состоит из трех этапов:

• растворение и гидролиз органических соединений;
• ацидогенез;
• метаногенез.

Влажность воздуха должна составлять от 10 до 98 %, оптимальная - 91-92 %. Содержание метана в биогазе зависит от химического состава сырья и может составлять 55-90 %.

Как очистить биогаз от примесей?

Одностадийная очистка биогаза, или регенеративная, включает в себя избавление от примесей, до тех пор, пока биогаз не приобретет состояние биометана. После такой очистки биометан может запросто служить топливом для мотора автомобиля или использоваться в системе газоснабжения.

Принцип действия данного способа заключается в следующем:

• биогаз сжимается до давления в 9-11 бар;
• такой газ подается в очистную колонну и под давлением холодной воды очищается;

Таким образом, углекислый газ и примеси сероводорода удаляются благодаря их хорошей растворимости в воде. Главное преимущество такой очистки – это низкие затраты, так как главным компонентом очистки биогаза является вода.

Как уменьшить содержание влаги в биогазе?

Уменьшение доли влаги в биогазе можно произвести только механическим путем при помощи специализированного оборудования. Самый простой метод очистки от влаги – это изменение температуры. Под воздействием холодной температуры влага конденсирует в пар. После такой процедуры содержание влаги в газе сократиться в 3-5 раз. Биогаз пропускают в подземную трубу, там вода опускается вниз. Затем температура повышается, что дает газу возможность подняться выше и согреться.

Где применяется биогаз?

• Как уже было сказано, биогаз – сырьё для производства электроэнергии и автомобильного топлива.
• На предприятиях использование биогаза поможет сэкономить огромную сумму. А все это потому, что вам не нужно будет строить газопровод, электрические линии, контейнеры для отходов. Такая установка поможет вам сэкономить около 30-40% от стоимости всей биогазовой системы.
• Биогазовые сооружения могут использоваться в качестве очистных сооружений. Установив биогазовую установку на ферме, заводе или комбинате, вы не только сможете избавляться от мусора навсегда, но и еще получать за это сырьё для электроэнергии и топлива.

Как установить биогазовую установку своими руками?

Процесс производства биогаза в домашних условиях достаточно трудоемкий. Поэтому задумайтесь, сможете ли вы осилить данную задачу. Такая установка по производству биогаза поможет сэкономить вам деньги на топливе и электроэнергии .

Для производства биогаза нужна специальная установка, которую можно сделать из старых и уже ненужных вещей. Из старых выварок и металлических кастрюль можно создать реактор будущей установки. Оптимальной формой является цилиндр.

Главные требования к будущему реактору:

• водо- и гидронепроницаемость. Смешивание воздуха и газа при брожении – просто опасно. Ваш реактор может треснуть или, в худшем случае, взорваться. Поэтому для пущей безопасности нужно установить герметичную прокладку между крышкой и корпусом;
• достаточная теплоизоляция;
• быть надежным. Во время реакций, благодаря которым и производится биогаз, выделяется большое количество газа. Давление может сыграть злую шутку с вашим реактором, и он может даже взорваться.

Для получения биогаза потребуется:

• смешать 2 тонны навоза и 4 тонны перегноя;
• добавить в смесь воды;
• заложить смесь в яму и с помощью обогревательных установок разогреть до 45°С. Дальше смесь начнет бродить и без доступа воздуха сама разогреется до 80°С;

Чтобы давление газа не взорвало реактор, рекомендуется с помощью тросов прикрепить противовес. Шести тонн смеси установке хватает на шесть месяцев работы.

Если говорить простым языком, в яму устанавливается герметичный резервуар, который выполняет функцию реактора. В нем складываются органические отходы. В такой установке обязательным является отвод для газа.

Вам теперь остается только ждать, когда же микроорганизмы проделают свою работу и пробродят массу. После этого вы сможете получить биогаз. А отходы от производства биогаза могут стать отличным удобрением.

После того, как микроорганизмы все-таки перебродили эту массу, ее нужно выгрузить. Делать это нужно через специальное отверстие. Сброженную массу нужно временно поместить в емкость, которая должна быть по объему не меньше реактора.

Для самостоятельного производства биогазовой установки рекомендуется придерживаться следующей поочередности:

• выберете место для установки будущего реактора, а также рассчитайте суточное количество отходов, чтобы определиться с объемом реактора;
• проделайте монтаж загрузочной и выгрузочной труб и подготовьте котловану для биогазовой установки;
• установить загрузочный бункер и газоотводную трубу;
• установить крышку люка, которая будет использоваться для обслуживания и ремонта реактора.
• проверить реактор на герметичность и теплоизоляцию.

Лучше всего делать стенки реактора из бетона, чтобы они были более герметичными и надежными. В массе, которую вы загружаете в биогазовую установку, не должно быть антибиотиков и растворителей. Они негативно сказываются на работе микроорганизмов.

Создавая такую установку, помните о технике безопасности. Не нужно ставить ее вблизи дома или хозяйственных помещений.

Доброго времени суток всем! Этот пост продолжает тему альтернативной энергетики для вашего. В нем я вам расскажу о биогазе и его использовании для обогрева жилища и приготовления пищи. Наиболее эта тема интересна фермерам, у которых есть доступ к разнообразному сырью для получения этого вида топлива. Давайте для начала разберемся в том, что такое биогаз и откуда он берется.

Откуда берется биогаз и из чего он состоит?

Биогаз — горючий газ, возникающий как продукт жизнедеятельности микроорганизмов в питательной среде. Этой питательной средой может быть навоз или силос, который закладывается в специальный бункер. В этом бункере, который называется реактором, и происходит образование биогаза. Внутри реактор будет устроен следующим образом:

Для ускорения процесса брожения биомассы необходим ее подогрев. Для этого может быть использован ТЭН или теплообменник, подключенный к любому отопительному котлу. Нельзя забывать и о хорошей теплоизоляции, чтобы избежать лишних затрат энергии на подогрев. Кроме подогрева, бродящую массу необходимо перемешивать. Без этого КПД установки может значительно снижаться. Перемешивание может быть ручным или механическим. Тут все зависит от бюджета или имеющихся в наличии технических средств. Самое главное в реакторе — это объем! Маленький реактор просто физически не способен выдать большое количество газа.

Химический состав газа сильно зависит от того какие процессы протекают в реакторе. Чаще всего там происходит процесс метанового брожения, в результате которого образуется газ с большим процентным содержанием метана. Но вместо метанового брожения вполне может происходить процесс с образованием водорода. Но по моему мнению, для обычного потребителя водород не нужен, а может даже и опасен. Вспомните хотя бы гибель дирижабля Гинденбург. Теперь давайте разберемся из чего можно получать биогаз.

Из чего можно получать биогаз?

Газ можно получать из различных видов биомассы. Давайте перечислю их в виде списка:

• Отходы пищевых производств — это могут быть отходы от забоя скота или молочного производства. Подойдут отходы от производства подсолнечного или хлопкового масла. Это далеко не полный список, но для передачи сути достаточно. Данный вид сырья дает наибольшее содержание метана в газе (доходит до 85%).
• Сельскохозяйственные культуры — для получения газа в некоторых случаях выращивают специальные виды растений. Например, для этого подойдет силосная кукуруза или морские водоросли. Процент содержания метана в газе держится в районе 70%.
• Навоз — чаще всего применяется на больших животноводческих комплексах. Процентное содержание метана в газе, при использовании навоза в качестве сырья, обычно не превышает 60%, а все остальное это будет двуокись углерода и совсем немножко сероводород и аммиак.

Структурная схема установки для биогаза.

Для того, чтобы наилучшим образом понимать как работает установка для получения биогаза давайте рассмотрим следующий рисунок:

Устройство биореактора было рассмотрено выше, поэтому о нем говорить не будем. Рассмотрим другие составные части установки:

• Приемник отходов — это некая емкость, в которую попадает сырье на первом этапе. В ней сырье может смешиваться с водой и измельчаться.
• Насос (после приемника отходов) — фекальный насос, при помощи которого биомасса перекачивается внутрь реактора.
• Котел — отопительный котел на любом топливе, предназначенный для обогрева биомассы внутри реактора.
• Насос (рядом с котлом) — циркуляционный насос.
• «Удобрения» — емкость, в которую попадает перебродивший ил. Он, как понятно, из контекста может использоваться как удобрение.
• Фильтр — устройство, в котором происходит доведение биогаза до кондиции. В фильтре убираются лишние примеси газов и влаги.
• Компрессор — осуществляет сжатие газа.
• Газовое хранилище — герметичная цистерна, в которой готовый к применению газ может хранится сколь угодно долго.

Биогаз для частного дома.

Многие владельцы небольших ферм задумываются об использовании биогаза для внутренних нужд. Но разузнав по-подробнее о том, как все это работает большинство оставляет эту затею. Связано это с тем, что оборудование для переработки навоза или силоса стоит огромных денег, а выход газа (в зависимости от сырья)может получиться небольшим. Это в свою очередь делает установку оборудования невыгодным. Обычно, для частных домов фермеров устанавливают примитивные установки, работающие на навозе. Они, чаще всего, способны обеспечить газом только кухню и маломощный настенный газовый котел. При этом на сам технологический процесс придется затратить немало энергии — на подогрев, перекачку, работу компрессора. Дорогостоящие фильтра тоже нельзя исключать из поля зрения.

В общем, мораль тут такая — чем больше сама установка, тем выгоднее ее работа. А для домашних условий это практически всегда невыполнимо. Но это не значит, что домашних установок никто не делает. Предлагаю вам посмотреть следующее видео, чтобы увидеть как это выглядит из подручных материалов:

Резюме.

Биогаз — отличный способ полезной переработки органических отходов. На выходе получается топливо и полезное удобрение в виде перебродившего ила. Данная технология работает тем эффективней, чем больший объем сырья перерабатывается. Современные технологии позволяют серьезно увеличить выработку газа при помощи применения специальных катализаторов и микроорганизмов. Главным минусом всего этого является высокая цена одного кубометра. Для обычных людей чаще всего будет гораздо дешевле покупать газ в баллонах, чем делать установку по переработке отходов. Но, конечно, из всех правил есть исключения, поэтому перед тем, как принять решение о переходе на биогаз стоит посчитать цену кубометра и сроки окупаемости. На этом пока все, пишите вопросы в комментариях

Биогаз - это газ, который получается метановым брожением биомассы. Разложение биомассы на компоненты происходит под воздействием 3-х видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид - бактерии гидролизные, второй кислото-образующие, третий - метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида.

Состав биогаза

55%-75 % метана, 25 %-45 % CO2, незначительные примеси H2 и H2S. После очистки биогаза от СО2 получается биометан. Биометан полный аналог природного газа. Отличие только в происхождении.

Сырьё для получения

Органические отходы: навоз, зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозавода - лактоза, молочная сыворотка, отходы производства биодизеля - технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков - жом фруктовый, ягодный, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки - мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов - очистки, шкурки, гнилые клубни.

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 30-50 м³ биогаза с содержанием метана 60 , 150-500 м3 биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70 %. Максимальное количество биогаза - это 1300 м3 с содержанием метана до 87 можно получить из жира.

В биогазовых расчётах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Вода, содержащаяся в биомассе не дает газа.

Из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 литров биогаза.

Чтобы посчитать выход биогаза из конкретного сырья необходимо провести лабораторные испытания или посмотреть справочные данные и определить содержание жиров, белков и углеводов. При определении последних важно узнать процентное содержание быстроразлагаемых (фруктоза, сахар, сахароза, крахмал) и трудно разлагаемых веществ (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин). Определив содержание элементов, считается выход газа для каждого по отдельности и затем суммируется.

Раньше когда не было науки о биогазе и биогаз ассоциировался с навозом, применяли понятие «животной единицы». Сегодня, когда биогаз научились получать из чего-угодно органического, это понятие отошло и перестало использоваться.

Кроме отходов биогаз может производится из специально выращенных энергетических культур, например из силосной кукурузы или сильфия. Выход газа может достигать до 500 м3 с тонны.

История

Человечество научилось использовать биогаз давно. В 2 тысячелетии до н.э. на территории современой Германии уже существовали примитивные биогазовые установки. Алеманам, населявшим заболоченные земли бассейна Эльбы, чудились Драконы в корягах на болоте. Они полагали, что горючий газ скапливающийся в ямах на болотах - это вонючее дыхание Дракона. Чтобы задобрить Дракона в болото бросались жертвоприношения и остаки пищи. Люди верили, что Дракон приходит ночью и его дыхание остается в ямах. Алеманы додумались шить из кожи тенты, накрывать ими болото, отводить газ по кожанным же трубкам к своему жилищу и сжигать его для приготовления пищи. Оно и понятно, ведь сухие дрова найти было трудно, а болотный газ (биогаз) отлично решал эту проблему.

В XVII веке Ян Баптист Ван Гельмонт обнаружил, что разлагающаяся биомасса выделяет воспламеняющиеся газы. Алессандро Вольта в 1776 году пришёл к выводу о существовании зависимости между количеством разлагающейся биомассы и количеством выделяемого газа. В 1808 году сэр Хэмфри Дэви обнаружил метан в биогазе.

Первая задокументированная биогазовая установка была построена в Бомбее, Индия в 1859 году. В 1895 году биогаз применялся в Великобритании для уличного освещения. В 1930 году, с развитием микробиологии, были обнаружены бактерии, участвующие в процессе производства биогаза.

Экология

Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Переработанный навоз применяется в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды.

Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана - лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления.

Производство

Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60-ти разновидностей технологий получения биогаза. Наиболее распространённый метод - анаэробное сбраживание в метатанках, или анаэробных колоннах (в русском языке термин не устоялся). Часть энергии, получаемой в результате утилизации биогаза направляется на поддержание процесса (до 15-20 % зимой). В странах с жарким климатом нет необходимости подогревать метантанк. Бактерии перерабатывают биомассу в метан при температуре от 25°С до 70°С.

Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двух-стадийная технология. Например, птичий помет, спиртовая барда, не перерабатывается в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза. Такой реактор позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей.

Получение биогаза экономически оправдано при переработке постоянного потока отходов, например на животноводческих фермах.

Свалочный газ - одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов.

Применение

Биогаз используют в качестве топлива для производства: электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива. В Индии, Вьетнаме, Непале и др. странах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи.

Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод. Т.е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки.

Больше всего малых биогазовых установок находится в Китае - более 10 млн. (на конец 1990-х). Они производят около 7 млрд. м³ биогаза в год, что обеспечивает топливом примерно 60 млн. крестьян. В Индии с 1981 года было установлено 3,8 млн. малых биогазовых установок.

В конце 2006 года в Китае действовало около 18 млн. биогазовых установок. Их применение позволяет заменить 10,9 млн. тонн условного топлива.

Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании - биогаз занимает до 18 % в её общем энергобалансе. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия - 8000 тыс. шт. В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом.

Volvo и Scania производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно используются в городах Швейцарии: Берн, Базель, Женева, Люцерн и Лозанна. По прогнозам Швейцарской Ассоциации Газовой Индустрии к 2010 году 10% автотранспорта Швейцарии будет работать на биогазе.

Выделение горючих газов из разлагающихся отходов жизнедеятельности организмов и биомассы было замечено еще в 17 веке.

В 1776 году ученый Аллесандро Вольта сделал вывод о существовании взаимной зависимости между массой разлагающегося вещества и объемом выделяющегося газа, а позднее было обнаружено, что основным горючим компонентом получаемого биогаза является метан.

Поскольку метан является основным компонентом добываемого из недр природного газа, то в процессе изучения биогаза начали появляться установки для его промышленного производства в качестве альтернативы ископаемому топливу.

Первая документально подтвержденная биогазовая установка была построена в 1859 году в Индии, а впервые в Европе, в Великобритании биогаз начал применяться в уличных фонарях освещения в 1895 году.

Рисунок, показывающий поперечный разрез первой биогазовой установки

Биохимические процессы образования биогаза

Первые экспериментальные установки для получения биогаза разрабатывались методом проб и ошибок, без истинного понимания происходящих процессов. С развитием микробиологии было выявлено, что выделение газа происходит из-за водородного и метанового брожения биомассы . Поскольку данные типы брожения происходят без доступа кислорода, выделяющий метан процесс разложения биомассы еще называют анаэробным.

Анаэробное сбраживание встречается в природе при образовании болотного газа

По-другому синтез биогаза называют биодеструкцией (биологическим разрушением) органических веществ с выделением свободного газообразного метана (CH4) . Ниже дана упрощенная формула, демонстрирующая выделение химических веществ из органических соединений в процессе жизнедеятельности бактерий метаногенов, у которых в процессе метаболизма выделяется побочный газ метан:

Другими словами, микроскопические бактерии, потребляя органические вещества, содержащиеся в биомассе и биологических отходах, выделяют горючий газ. Но даже при самых благоприятных условиях выделение горючего газа происходит не сразу – вначале нужен процесс ферментации биомассы, разложение которой происходит в несколько этапов за определенные периоды времени.

Стадии синтеза биогаза

Для размножения и жизнедеятельности выделяющих метан метаногенов нужна питательная среда, которая формируется в установке для получения биогаза предыдущими поколениями других бактерий. В первой стадии белки, жиры и углеводы, имеющиеся в биомассе, под воздействием гидролитических ферментов распадаются на простые органические соединения: аминокислоты, сахар, жирные кислоты. Данная стадия протекает под действием ацетогенных бактерий и называется гидролизом.

Различные бактерии, вид под микроскопом

Во второй стадии под действием гетероацетогенных бактерий происходит гидролизное окисление части органических соединений, при этом получается углекислый газ, свободный водород и ацетат.

Не окислившаяся часть получившихся на первой стадии простых органических соединений при взаимодействии с образовавшимся на второй стадии ацетатом формирует простейшие органические кислоты, которые и являются необходимой питательной средой для бактерий, выделяющих метан на третьей стадии.

Стадии жизнедеятельности микроорганизмов при образовании метана

Именно на третьей стадии происходит производство биогаза, интенсивность которого зависит от таких основных факторов:

• Состава биомассы;
• Температуры питательной среды;
• Давления внутри установки;
• Кислотно-щелочного баланса pH;
• Соотношения воды и загружаемой биомассы;
• Измельчения сырья и частоты перемешивания субстрата;
• Наличия стимулирующих и замедляющих компонентов в среде;
• Соотношения углерода, фосфора, азота и других элементов.

Схематическое отображение основных узлов биогазовой установки

Оптимальный состав сырья для производства биогаза

Поскольку белки, жиры и углеводы содержатся в любой биомассе растительного или животного происхождения, а также в отходах жизнедеятельности и пищевой промышленности, то помимо научных лабораторий и промышленных установок, вполне реально получать биогаз в домашних условиях.

Но в самодельной домашней установке будет очень трудно контролировать описанные выше параметры. На видео ниже показан пример промышленной биогазовой установки для дома:

В продолжение данной темы в следующей статье будет подробно рассказано о существующих типах генераторов биогаза и самодельных биогазовых установках, которые народные умельцы делают своими руками.

На данном этапе стоит напомнить, что биогаз горюч и взрывоопасен , а чрезмерное давление может разорвать биогазовую установку с последующем взрывом газа. Поэтому первоочередным контролируемым параметром должно быть давление в установке и герметичность конструкции.

Примеры сырья для получения биогаза

Максимальное количество биогаза можно получить из животных жиров – около 1500 м3 из тонны сырья при концентрации метана 87%. Также значительный выход биогаза получается из пережаренного растительного масла – около 1200 м3 при концентрации CH4­ 68%.

Значительно меньше биогаза получается из семян различных растений от 500 м3 — 54% CH4, (овес) до 644 м3 — 65,7% CH4 (рапс). Из силоса кукурузы, травы и других растений можно получить 450-100 м3 при средней концентрации метана 55-50%.

Возможное получение биогаза из различных семян и корнеплодов

Биогаз из отходов жизнедеятельности животных

Из навоза животных выход газа получается значительно меньшим, так как после прохождения пищевого тракта в отходах жизнедеятельности количество питательных веществ для метанобразующих микроорганизмов мало.

Поскольку у птиц пищеварительная система предназначена для быстрого отбора основной части питательных веществ из пищи, с частыми испражнениями для облегчения полета, то выход биогаза из помета будет наибольшим – около 100 м3 при 65% CH4.

Применение биогазовой установки наиболее выгодно на птицефермах, где существует проблема утилизации птичьего помета

Тогда как навоз крупного рогатого скота обладает наименьшим выходом биогаза – в среднем 25 м3 при 55% CH4, из-за пищеварительного тракта, предназначенного для максимального извлечения питательных веществ из корма в течение длительного времени с многократным пережевыванием пищи.

Выход биогаза из навоза увеличивается при его смешивании с подстилкой и остатками корма. Также имеет значение влажность и свежесть навоза – для более подробных данных нужно изучать специальные таблицы.

Возможное получение биогаза из навоза сельскохозяйственных животных

Большое влияние на скорость брожения и концентрацию метана в биогазе оказывает качество воды и наличие примесей. Сильно хлорированная водопроводная вода, используемая для разбавления навоза, будет угнетать процесс брожения.

Если при уборке стойл применяются бактерицидные вещества и химические моющие средства, то скорость реакций в биогазовой установке значительно замедлится. По этой же причине возникают значительные трудности при газификации отходов канализации человеческого жилья из-за малой рентабельности и большой концентрации моющих средств.

Несмотря на низкий выход биогаза из отходов жизнедеятельности организмов, в самодельных биогазовых установках необходимо добавлять навоз в другие виды сырья для размножения в субстрате всех требуемых видов бактерий, которые изначально проживают в пищеварительном тракте

Содержащий бактерии навоз необходимо добавлять в субстрат для получения биогаза

Состав биогазовой смеси

Как говорилось выше, на разных стадиях в процессе биосинтеза помимо метана выделяются углекислый газ и водород. Также в зависимости от сырья выделяются аммиак и сероводород. Водород хоть и горюч, но его летучесть не позволяет использовать этот газ в стандартных газовых установках.

Аммиак и сероводород являются ядовитыми соединениями, которые вредят как бактериям внутри биогазовой установки, так и окружающей среде. Углекислый газ является балластом, а его большое количество в смеси значительно снижает горючесть и калорийность биогаза.

Среднее процентное соотношение примесей в биогазе, получаемом из различного сырья

Очевидно, что из-за большого количества примесей использование биогаза в обычных котлах и кухонных плитах возможно только после тщательной очистки синтезированной газовой смеси. Очищают полученный биогаз в несколько этапов, но практически невозможно достичь идеально чистого метана, главное, чтобы концентрация примесей не выходила за установленные нормы.

Пламя горящего биогаза должно быть чистым, как и вся биологическая энергия

На первом этапе очистки биогаз проходит через водяной фильтр, где растворяется большая часть углекислого газа, аммиака и различных ароматических соединений. Вода с большой концентрацией растворенного углекислого газа и аммиака может использоваться для выращивания водорослей, которые, в свою очередь, пойдут на синтез биогаза в биогазовой установке.

Системы очистки биогаза на промышленной биогазовой установке

После водяной очистки биогаз поступает на фильтр очистки от сероводорода. Наиболее простым является фильтр из металлической стружки и опилок, на которых осаждается сера. В промышленных фильтрах применяются специальные катализаторы и осаждающие серу растворы. Наилучшее качество биогаза получается после прохождения мембранного фильтра, где на молекулярном уровне отсеиваются молекулы нежелательных примесей.

Очистка биогаза до чистого метана при помощи мембранного фильтра

Описание влияния некоторых факторов на выделение биогаза

Для определения скорости брожения и интенсивности выделения биогаза одним из решающих факторов является температура смеси. Нужен термометр, а лучше электрический датчик для контроля температурного режима.

В промышленных биогазовых установках температурный режим и другие параметры контролируются специальными контроллерами. Иногда теплоты реакции бывает достаточно для поддержания оптимальной температуры, но чаще всего субстрат приходится подогревать, особенно в холодный период года.

Компьютеризированный контроллер биогазовой установки с газоанализаторами

По температурному режиму различают три вида анаэробного брожения:

• Психрофильные установки, работающие без обогрева, где температура самопроизвольно поддерживается на уровне 15-25ºC. Применяются в странах с теплым климатом;
• Мезофильные, требуют дополнительного незначительного обогрева для поддержания температуры 25-40ºC. Обладают наиболее богатым составом образующихся после генерации экологически чистых удобрений, из-за чего оптимально подходят для небольших хозяйств;
• Термофильные биогазовые установки, требующие больших затрат энергии, для поддержания температуры свыше 40ºC, максимум 90ºC. При данной температуре гибнут болезнетворные бактерии в образующихся удобрениях, и получается наибольший выход биогаза, из-за чего широко применяется при промышленном производстве биологического газа.

Термоизоляция реактора термофильной биогазовой установки

Наряду с температурой большое значение имеет размер твердых частиц навоза, отходов и биомассы. Чем меньше частицы сырья, тем больше площадь контакта бактерий с питательной средой. Поэтому самое главное при приготовлении сырья – это его измельчение .

Контакт бактерий с пищей затрудняется в процессе биосинтеза из-за накопления продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Поэтому своевременное перемешивание субстрата в процессе брожения также являет собой значительный фактор для газификации биомассы. Пример промышленной биогазовой установки с контролем всех параметров:

Рентабельность производства биогаза

Лидером в производстве качественного биогаза из выращиваемого сырья и отходов животноводческих ферм является Германия. Рентабельность биосинтеза газа определяется большой стоимостью энергоносителей с одной стороны и наличием стимулирующих государственных программ.

Стимулом к внедрению биогазовых технологий является как значительная субсидия при покупке экологических энергоносителей у производителей, так и внушительная сумма штрафа за загрязнение окружающей среды не переработанным навозом.

Экологически чистый биогазовый комплекс в экономически развитой стране

В бедных деревнях Индии и Китая собственники полукустарных биогазовых установок практически не очищают свой газ, тут же сжигая его в плите или газовой горелке. В данных странах производство биологического газа из бытовых отходов и специально выращиваемого растительного сырья окупается благодаря низкой стоимости ручного труда крестьян и небольшой стоимости самих установок, лишенных дорогих систем очистки и сложных автоматизированных комплексов контроля и управления.

Пример полукустарных биогазовых установок в бедных деревнях Азии

В прессе и интернете можно найти много жизнерадостных заголовков типа: «Экономия бюджета с помощью биогазовой установки», «Бесплатная энергия из навоза», «Биогаз своими руками», но на практике ожидания по окупаемости дорогостоящего оборудования и затрат расходятся с реальностью. Это происходит из-за сложности контроля всех параметров, а также необходимостью подогрева для оптимальной скорости брожения. Пример оптимистического новостного сюжета:

В следующей статье будут приведены примеры самодельных установок с демонстрацией выхода газа в реальных условиях, и каждый сможет для себя определить рентабельность самостоятельного производства биогаза, исходя из своих возможностей и тарифов на энергоносители.

Значительным достоинством самостоятельного производства биогаза является побочное получение высококачественного экологически чистого удобрения. На видео ниже мастер объясняет теоретические основы получения биогаза и получения удобрений.