Биогаз как источник энергии

По принятой ООН терминологии, все виды энергии, в основе которых лежит солнечная энергия, называются возобновляемыми. В России и Европе доля солнечной энергии в виде биомассы к гидроэнергии составляет 6% в общем производстве энергии, в развивающихся странах 80%. Согласно решению Евросоюза, к 2010 г. необходимо удвоить с 6% до 12% использование возобновляемых источников энергии. В сценарии Мирового энергетического Совета к 2050 г. предусматривается также удвоение доли использования мировых возобновляемых источников энергии (с 20% до 40%) в общем производстве энергии. Возобновляемые источники энергии будут замещать уголь, нефть, газ и уран в производстве электроэнергии и тепла. Каковы основные направления использования биологической энергии, за исключением банального сжигания дров и гужевого транспорта? В южных регионах России перспективным является использование так называемого биодита — биологического дизельного топлива на основе рапсового масла. Рапс — однолетняя масленичная культура, урожайность ее составляет 16—30 ц/га, масленичность — 40—52%. Рапсовое масло перерабатывается в биодит по сравнительно простой технологии. Биодит имеет вязкость дизельного топлива и не вызывает нагара. В настоящее время данная идея набирает популярность в Прибалтике, где с привлечением средств европейских инвесторов активно развивается строительство заводов по производству рапсового бензина. Другая технология, позволяющая получать топливо для двигателей внутреннего сгорания, — получение так называемого генераторного газа. Генераторный газ получают путем сжигания в специальных генераторах твердого топлива влажностью до 60%. Это могут быть дрова, торф, уголь. В сельском хозяйстве целесообразно использовать отходы растениеводства: солому, листья, обрезки. Биогаз: заграница помогла себе Наконец, для густонаселенных регионов или местностей, ориентированных на животноводческое производство, наиболее перспективным оказывается биогаз — универсальное топливо, являющееся продуктом метанового брожения жидких органических отходов (канализационных стоков, навоза). Метановое брожение является комплексным процессом, который, прежде всего, позволяет утилизировать отходы канализации и сельскохозяйственного производства, превратив их в удобрения, и является источником получения горючего газа на основе метана. Наиболее целесообразной сферой применения биогаза является отопление животноводческих ферм, жилых помещений и технологических участков. Также биогаз можно использовать в качестве моторного топлива. �злишки полученного топлива можно перерабатывать в электроэнергию с помощью дизельных генераторов. За рубежом проблеме получения и использования биогаза уделяют большое внимание. За короткий срок во многих странах мира возникла целая индустрия по производству биогаза: если в 1980 г. в мире насчитывалось около 8 млн. установок для получения биогаза суммарной мощностью 1,7—2 млрд. куб. м в год, то в настоящее время данные показатели соответствуют производительности по биогазу только одной страны — Китая. Дания. Пионером в коммерческом использовании биогазовых заводов по переработке сельскохозяйственных отходов для получения энергии является Дания. Правительство Дании представляет значительные налоговые льготы для производителей биогаза: около 20% капитальных инвестиций для централизованного биогаза и 30% для индивидуальных станций или установок. Суммарная годовая энергетическая мощность производителей биогаза Дании, получаемого из всех источников, в настоящее время составляет до 4·1015 Дж, к 2005 г. планируется дальнейшее увеличение его производства до 6·1015 Дж. В настоящее время в Дании эксплуатируется 18 биогазовых заводов, способных ежегодно обрабатывать 1,2 млн. т биомассы (75% отходов животноводства и 25% других органических отходов), давая до 45 млн. куб. м биогаза, что эквивалентно 24 млн. куб. м природного газа. США, Канада, Европа. В США работает более десяти крупных биогазовых заводов, один из которых (при трех откормочных комплексах на 110 тыс. голов) подает вырабатываемый биогаз в газораспределительную сеть Чикаго. Кроме этого, в США получили широкое распространение установки для использования отходов на небольших скотоводческих фермах с поголовьем до 150 единиц крупного рогатого скота. В фермерских хозяйствах Европы и Канады распространены установки производительностью до 100—200 куб. м биогаза, что обеспечивает хозяйство тепловой энергией летом на 100%, зимой — 30-50%. Большое количество биогаза производится также и при переработке твердых бытовых отходов городов: в США — 9·1015 Дж, Германии — 14·1015 Дж, Японии — 6·1015 Дж, Швеции — 5·1015 Дж. Китай. В настоящее время в Китае эксплуатируется более 5 млн. семейных биогазовых реакторов (ферментеров), ежегодно производящих около 1,3 млрд. куб. м биогаза, что обеспечивает газом для бытовых нужд свыше 35 млн. человек. Также имеется 600 больших и средних биогазовых станций, которые используют органические отходы от животноводства и птицеводства, винных заводов с общим объемом 220 тыс. куб. м. Действует 24 000 биогазовых очистительных реакторов для обработки отходов городов; работает около 190 биогазовых электростанций с ежегодным производством 3109 Вт·ч. Биогазовая продукция в Китае оценивается в 33·1015 Дж. �ндия. В �ндии, как и в Китае, основной упор сделан на семейные и общинные биогазовые установки — в 1993 г. их было около 2 млн. Ежегодно в �ндии вводятся в эксплуатацию 5—6 тыс. таких установок, дающих от 2 до 400 куб. м биогаза в день. Основные положения национальной программы �ндии по развитию биогазовых технологий включают в себя снабжение чистой энергией для отопления и приготовления пищи, получение органических удобрений, повышение эффективности сельскохозяйственного производства и многое другое. А у нас — перспективы Следует заметить, что еще 15—20 лет тому назад, когда аналогичные проблемы активно прорабатывались, столь очевидной экономической целесообразности не наблюдалось в силу тогдашней дешевизны и топлива, и электроэнергии. В России до сих пор к биогазу относились как к экзотическому топливу, и о его промышленном использовании никто серьезно не задумывался. Однако кризис, продолжавшийся в России в течение последних десяти лет, переход к рынку и окончание эры дешевой нефти заставляют пересмотреть отношение к биогазу по крайней мере в наиболее запущенном секторе нашей экономики — сельском хозяйстве. Биогаз может быть получен и естественным путем, например аэрационный газ городской канализации, или за счет сбраживания в специальных емкостях (метантанках) отходов жизнедеятельности домашних животных и птиц, отходов пищевой промышленности, биомассы водорослей, канализационного ила очистных сооружений, бытовых отходов городских свалок. В настоящее время разработано и применяется достаточно большое количество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариаций температурного режима, влажности, концентраций бактериальной массы, длительности протекания биореакций и так далее, при этом содержание метана в биогазе варьируется в зависимости от химического состава сырья и может составлять от 50 до 90%. Канализация: обогрей себя сам Канализационные газы — продукт брожения сточных вод городской канализации, представляющий собой разновидность биогаза. Выход канализационных газов со станции переработки, питаемой канализационной сетью, обслуживающей населенный пункт с численностью жителей 100 тыс. чел., достигает в сутки более 2500 куб. м, что эквивалентно 2000 л бензина. Учитывая, что население наиболее крупных городов России, как правило, превышает 500 тыс. чел., канализационные газы становятся реальным источником местного альтернативного моторного топлива для предприятий жилищно-коммунального комплекса. Так, коммунальное и автотранспортное хозяйство Москвы ежедневно может получать до 200 тыс. куб. м биогаза, что позволяет перевести значительную часть муниципального и городского автотранспорта на альтернативный вид моторного топлива, экономя тем самым более 150 тыс. л нефтепродуктов (бензина и дизельного топлива) в сутки. Для Санкт-Петербурга эта экономия составляет более 80 тысяч литров нефтяного моторного топлива, для крупных областных городов, например Владимира, Тулы и других — около 10 тыс. л в сутки. Когда энергетик раскапывает свалку Современные полигоны для бытовых отходов (устар. название — «свалки») — сложные инженерные сооружения, на которых производится сортировка, а в отдельных случаях и утилизация наиболее ценных вторичных ресурсов, содержащихся в отходах. К ним относится и биогаз. Учитывая, что с 1 га полигона в течение года можно собрать около 1 млн. куб. м биогаза, его производство в стране могло бы составить до 15 млрд. куб. м в год. При общем объеме потребления природного газа в 400—450 млрд. куб. м/год биогаз мог бы быть источником экономии природных ресурсов и, что самое важное, возобновляемым источником энергии. Сбор газов осуществляется посредством вертикальных скважин, пробуренных на месте уже заполненных хранилищ, или горизонтальных скважин-коллекторов, сооруженных в процессе складирования отходов. В пробуренный ствол скважины на глубину не менее 10 м (лучше 20—30 м) помещается перфорированная в нижней части стальная труба. Затрубное пространство хранилища заполняется гранулированным материалом. Верхняя часть затрубного пространства бетонируется для предотвращения поступления в скважину воздуха. Для оптимального управления разложением ТБО на полигоне целесообразно их укладку осуществлять послойно, чередуя слои отходов слоями дренирующих материалов и с укладкой в них газосборных и водораспределительных трубопроводов. В наиболее простом случае биогаз собирается и направляется по трубопроводу потребителю в качестве топлива вместо других источников энергии. В качестве таких потребителей могут быть предприятия, производящие строительные материалы и использующие биогаз для обжига цементного клинкера, кирпича или керамической плитки. Курица не птица, а источник энергии Одним из источников получения биогаза является птицеводство. Для крупных птицеводческих предприятий перспективно получение биогаза с применением анаэробного сбраживания органических отходов в метантанках. С 1 т куриного помета можно получить моторное топливо, эквивалентное 800 литрам бензина. На крупных птицефабриках, при среднем поголовье птицы 600—650 тыс. шт., выход биогаза от сбраживания всего помета может составить до 120 тыс. куб. м в сутки, что вполне достаточно для питания газовой электростанции мощностью свыше 6 МВт или получения моторного топлива, эквивалентного 96 тыс. л бензина. Рогатая бензоколонка Наконец, не менее значимым источником получения биогаза является животноводство. Те факты, что домашние животные (коровы, лошади, овцы, свиньи и другие) плохо усваивают энергию растительных кормов и что более половины солнечной энергии, аккумулированной фотосинтезом в этих кормах, используется непроизводительно — уходит в навоз, позволяют рассматривать навоз не только как ценное сырье для органических удобрений, но и как мощный возобновляемый источник энергии. �з 1 т сухого вещества навоза в результате анаэробного сбраживания при оптимальных условиях можно получить 350 куб. м биогаза, или в пересчете на одну голову крупного рогатого скота в сутки 2,5 куб. м, а в течение года — примерно 900 куб. м. Рассчитав эквивалент получаемого по данной технологии биогаза к традиционному моторному топливу, можно констатировать достаточно парадоксальный на первый взгляд факт, что одна корова в год, кроме молока, дает еще около 600—700 л бензина. Метан: из навоза возьмем хорошее, из хорошего лучшее Однако следует отметить, что биогаз содержит 60—70% метана, 30—35% углекислого газа, 2—3% азота, 1—2% водорода и до 1% кислорода. Поэтому создание двигателей внутреннего сгорания, работающих на биогазе в его «первозданном виде», представляет трудности, связанные с необходимостью сохранения мощности и экономичности работы. Поэтому непосредственно биогаз может быть использован в качестве топлива только для систем теплоснабжения, а в качестве моторного топлива целесообразнее использовать не биогаз, а получаемый из него биометан. Для этого из биогаза удаляют СО2 и другие примеси, после чего получаемый газ имеет практически однородный состав, содержащий до 96—98% СН4. К наиболее распространенным методам очистки биогаза и получения биометана относятся: промывка газа через жидкие поглотители (например, воду), вымораживание, адсорбция при низких температурах, адсорбция с использованием композитных адсорбентов и другое. Биометан во многом соответствует природному газу — прежде всего, по процентному содержанию метана, количество которого в нем колеблется от 95 до 98% от общего объема. Биометан как моторное топливо имеет высокую теплоту сгорания (50-55 МДж/кг) и октановое число 110, что превышает аналогичные характеристики бензина, которые, соответственно, равны 44 МДж/кг и 72-85. По сравнению с нефтяными моторными топливами биометан имеет более высокую детонационную стойкость, что позволяет в двигателях внутреннего сгорания снижать концентрацию вредных веществ в отработанных газах и уменьшать количество отложений в двигателе. Ввиду отсутствия жидкой фазы масляная пленка с цилиндров двигателя не смывается, износ деталей цилиндропоршневой группы уменьшается в два раза и, соответственно, возрастает надежность и долговечность двигателя. �сследования токсичности газобаллонных автомобилей за рубежом показывает, что при замене бензина на биометан выброс токсических составляющих (г/км) в атмосферу города снизился: по СО в 5—10 раз, СН — в 3 раза, окислам азота — в 1,5—2,5 раза, дымности — в 8—10 раз, в зависимости от типа автомобиля. Биометан как моторное топливо должен применяться в транспортных двигателях либо в сжатом, либо в сжиженном состоянии. Однако основным сдерживающим фактором широко применения сжатого биометана в качестве моторного топлива, как и в случае со сжатым природным газом, является транспортировка значительной массы топливных баллонов. �з общего веса заполненных метаном газовых баллонов с давлением до 200 кг/кв. см на долю баллона приходится до 94%, вес самого же газа составляет не более 6%. В среднем для обеспечения среднесуточного пробега грузовой машины грузоподъемностью 4,5 т на автомобиле должно быть установлено не менее 8 штук 40-литровых баллонов, общий вес которых достигает 700 кг. Эти затруднения отпадают с переходом на сжиженный биометан — СБМ. Сжиженный биометан, как и сжиженный природный газ (СПГ), является криогенной жидкостью с температурой кипения —162°С. Сжижение уменьшает объем газа, занимаемый в обычных условиях, почти в 600 раз и обеспечивает его хранение практически при атмосферном давлении, что позволяет, по сравнению со сжатием газа, уменьшить массу топливной системы на автомобиле в 3—4 раза и объем в 2—3 раза, по сравнению со сжатым биометаном. Таким образом, можно выделить два основных направления производства СБМ. Одно из них — создание централизованных производств на основе биогенераторных заводов и крупных сжижительных комплексов, другое — создание небольших по мощности производств на основе биогенераторных и криогенных установок. Первое направление, в силу недостатка инвестиций, в ближайшем будущем развить довольно проблематично: его решение возможно лишь в рамках взаимосвязанных долгосрочных государственных и отраслевых программ, на разработку которых понадобится достаточно много времени. Учитывая данные обстоятельства, в короткие сроки производство СБМ в России может быть налажено в рамках региональных программ или локальных проектов, основанных на использовании канализационного газа, отходов животноводства и птицеводства. �спользование сжиженного биометана для собственного автотранспорта животноводческих и птицеводческих предприятий, фермерских хозяйств и сельскохозяйственных кооперативов, а также общественного и грузового городского транспорта позволит решить вопросы обеспечения местным моторным топливом с более высокими экологическими характеристиками, замещающим значительную часть традиционного топлива, и дать существенный экономический эффект.