Литературный обзор. 
Перспектива использования биогаза

Биогаз как нетрадиционный источник энергии

Энергетический кризис 1973 г. и Чернобыльская катастрофа 1986 г. заставили большинство стран пересмотреть свою энергетическую политику в отношении темпов и перспектив использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [5].

В понятие нетрадиционной или альтернативной (возобновляемой) энергетики входят технологии и устройства, создающие электричество и тепло, и отличающиеся от основных средств энергетики сегодняшнего дня, работающих на углеводородном сырье и ядерном топливе тем, что используют иные источники энергии (например, силу ветра, энергию солнца и т. д.).

Отрицательные тенденции развития традиционной энергетики обусловлены в основном наличием двух факторов — быстрым истощением природных ресурсов и загрязнением окружающей среды. Примерно около 80% всех видов загрязнений приходится на сжигание и получение энергии из традиционных источников энергии. Истощение залежей угля предполагается в 2082;2500 гг., а запасов нефти хватит примерно на 40−50 лет [6].

Современные технологии традиционной энергетики повышают эффективность использования энергоносителей, но никак не улучшают экологическую ситуацию и в следствии этого тепловое, химическое и радиоактивное загрязнение окружающей среды может привести к катастрофическим последствиям.

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

В нетрадиционной энергетике особое место занимает переработка биомассы (органических сельскохозяйственных и бытовых отходов) метановым брожением с получением биогаза, содержащего около 50−70% метана, и обеззараженных органических удобрений [7].

Чрезвычайно важна утилизация биомассы в сельском хозяйстве, и в сферах, где на различные технологические нужды расходуется большое количество топлива и непрерывно растет потребность в высококачественных удобрениях. Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60-ти разновидностей биогазовых технологий.

В зависимости от источника получения биогазы подразделяются на три основных вида:

• — газ из метантенков, получаемый на городских очистных канализационных сооружениях (БГ КОС);
• — биогаз, получаемый в биогазовых установках (БГУ) при сбраживании отходов сельскохозяйственных производств (БГ СХП);
• — газ свалок, получаемый на полигонах отходов, содержащих органические компоненты (БГ ТБО).

В каждом крестьянском хозяйстве в течение года собирается значительное количество отбросов. Это может быть навоз, ботва растений и другие различные пищевые отходы. Обычно после разложения их используют как органическое удобрение. Биогаз, выделяемый при ферментации в дальнейшем использованный в виде энергии может быть использован для бытовых нужд сельскими жителями.

Биогаз — это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в специальных реакторах — метантенках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать от 60 до 90% той, которой обладает исходный материал [8]. Однако биогаз получают из жидкой массы, содержащей 95% воды, поэтому на практике точный выход биогаза достаточно трудно определить. Другое, и очень важное, достоинство процесса переработки биомассы состоит в том, что в его отходах содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале.

При производстве биогаза отходы, которые образуются (шламы биогазовой установки), могут быть использованы непосредственно без каких-либо дополнительных преобразований. Они представляют собой прекрасное высокоэффективное и экологически безопасное удобрение. Ценность этого удобрения настолько высока, что сравнима или даже превосходит ценность вырабатываемого биогаза. Поэтому при правильной утилизации всех выходных продуктов биогазовой установки срок ее окупаемости может быть существенно ниже, чем у всех других устройств альтернативной энергетики.

В среднем по подсчетам из 1 кг органического вещества, биологически разложимого на 70%, производит 0,18 кг метана, 0,32 кг углекислого газа, 0,2 кг воды и 0,3 кг неразложимого остатка [9].

Состав биогаза. Биогаз — смесь метана и углекислого газа (45−65% метан, 25−35% СО2), получаемая в результате анаэробной (без доступа воздуха) ферментации (перепревании) органических веществ самого разного происхождения в специальных реакторах — метантенках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана [10].

В продуктах альтернативной энергетики биогаз занимает немного особенное положение. Обычно все устройства альтернативной энергетики производят энергию из так называемых «возобновляемых источников». Называются они так потому, что на самом деле энергия эта берется от солнца, причем временной промежуток между попаданием конкретной порции солнечной энергии на Землю и ее утилизацией устройствами альтернативной энергетики относительно небольшой, от нуля до максимум нескольких лет.

Метан, болотный, или рудничный газ — CH4, первый член гомологического ряда насыщенных углеводородов (алканов); бесцветный газ без запаха; tкипения — 164,5 °С; tплавления — 182,5 °С; плотность по отношению к воздуху 0,554 (20°С); горит почти бесцветным пламенем, теплота сгорания 50,08 МДж/кг (11 954 ккал/кг); реакция горения:

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + 144,8ккал/моль.

Метан — наиболее термически устойчивый, насыщенный углеводород, основной компонент природных газов (77—99% по объёму), попутных нефтяных газов (31—90%) и рудничных газов (34—40%). Также метан встречается в вулканических газах; непрерывно образуется при гниении органического веществ под действием метанобразующих бактерий в условиях ограниченного доступа воздуха (болотный газ, газы полей орошения).

Биогаз также выделяется из биомассы, не только растительной, но и животной биомассы. Поэтому сроки окупаемости устройств для получения биогаза (биогазовых установок или БГУ) могут иметь тот же порядок, что и сроки окупаемости других устройств альтернативной энергетики [11].

Наиболее важные для практического применения физические свойства биогаза таковы: средняя теплота сгорания биогаза, содержащего около 60% метана равна 22 МДж/м3. Поскольку горючая часть биогаза состоит из метана (температура воспламенения метана около 645°С), его причисляют к семейству природных газов. Из одной тонны навоза КРС можно получить до 60 м³ биогаза.

Биогаз, как и биоэтанол, производится с использованием биологических преобразований. В процессе этих преобразований биомасса разлагается как на энергетический продукт (биогаз, спирт), так и на органические отходы. В случае с получением биоэтанола такие отходы непосредственно представляют вред для окружающей среды, и только после энергоемкой переработки (сушки и измельчения) могут быть использованы в качестве корма для скота.

Xимический состав биогаза. Биогаз по своему химическому составу преимущественно состоит из метана (CH4). Это горючий газ, младший в ряду углеводородов, из которого преимущественно состоит известный природный газ. Но природный газ содержит метана более 90%, а биогаз -45−75%. В жидкое состояние метан переходит при температуре -161,600C. Метан почти не растворим в воде. Метан легче воздуха. При комнатной температуре и при нормальном атмосферном давлении метан практически не вступает в химические реакции [12].

Второй значительный по объему составляющий компонент биогаза — углекислый газ (CO2). Этот газ выделяется при аэробном дыхании всех живых организмов. Он тяжелее воздуха, хорошо растворяется в холодной воде. При комнатной температуре и давлении больше чем 5,28 атм углекислота переходит в жидкое состояние. В биогазе содержится около 25−35% углекислого газа.

Третий компонент биогаза — это пары воды (H2O). Количество паров воды зависит от температуры биогаза и условий его получения и хранения и составляет единицы процентов. Обычно биогаз осушают перед использованием.

Четвертый компонент биогаза, который часто присутствует в нем — сероводород (H2S). Его может содержаться в биогазе от 0 до 2%. Сероводород плохо растворяется в воде. При сжигании сероводорода получается сернистый газ (SO2). В большой концентрации сероводород разъедает металлы. Также сернистый газ может служить источником получения серной кислоты [13].

Пятый компонент биогаза — аммиак (NH3). Обычно его концентрация не превышает одного процента. Это тоже один из агрессивных газов.

Остальные компоненты присутствуют в биогазе в виде следов в доли процента — азот, кислород, водород. Они не оказывают существенного влияния на его свойства.

Таблица 1 — Состав биогаза

биогаз установка энергия источник При сжигании биогаза сгорает метан, содержащийся в нем. Теплота, образующаяся при сгорании биогаза, меньше теплоты, образующейся при сжигании природного газа, это связано с пропорциональным соотношением количеств метана в природном газе и биогазе. Поскольку в биогазе меньше метана, чем в природном газе, то для сгорания единицы объема биогаза нужно меньше воздуха, чем при сжигании такой же единицы объема природного газа. Поэтому, если применяются горелки для газа, в которых сжигается предварительно созданная смесь горючего газа и воздуха, то для таких горелок надо уменьшать подачу воздуха в смесь при сжигании биогаза. Это единственное изменение, которое имеет смысл вносить в бытовые газовые приборы при настройке их для работы на биогазе [14].

Смесь биогаза с воздухом может быть взрывоопасной. Но взрывоопасна она в гораздо более узком диапазоне соотношений воздуха и биогаза, чем для смеси природного газа и воздуха. Поэтому вероятность взрыва смеси биогаза с воздухом при утечке намного меньше, чем при утечках природного газа. Средняя плотность биогаза составляет примерно 1,13 кг/м3, то есть, в среднем он легче воздуха, плотность которого при комнатной температуре составляет около 1,2 кг/м3 [15].

Таблица 2 — Основные характеристики биогаза (состав: 60% метан, 38% углекислый газ, 2% газовые примеси) по сравнению с другими горючими газами (согласно Кьюберле [16]).