Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография - Евгений Панцхава

БИОГАЗ – 55–75 % метана, 25–45 % СО2 – получается метановым брожением биомассы (80–90 % влажности). Его теплотворная способность составляет от 5 тысяч до 7 тысяч ккал на нормальный кубический метр и зависит от концентрации метана в его составе. Количество метана, в свою очередь, зависит от биофизикохимических особенностей сырья и в некоторых случаях от применяемой технологии. Выход биогаза на одну тонну абсолютно сухого вещества составляет: 250–350 куб. м для отходов крупного рогатого скота, 400 куб. м – для отходов птицеводства, 300–600 куб. м для различных видов растений, до 600 куб. м – для отходов (барды) спиртовых и ацетоно-бутиловых заводов.

Сырьё для получения. Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза: навоз, помет, зерновая и мелёная после спиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов – соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизеля – технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков – жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки – мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов – очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа. [3-37].

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества.

Различают теоретический (физически возможный) и технически-реализуемый выход газа. В 1950-70-х годах технически возможный выход газа составлял всего 20–30 % от теоретического. Сегодня применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (например, ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличивать выход биогаза на самой обычно установке с 60 % до 95 %. В биогазовых расчётах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Вода, содержащаяся в биомассе, не даёт газа. На практике 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 быстрораз-лагаемых (фруктоза, сахар, сахароза, крахмал) и трудноразлагаемых веществ (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин). Определив содержание веществ, можно вычислить выход газа для каждого вещества по отдельности и затем сложить.

Раньше, когда не было науки о биогазе и биогаз ассоциировался с навозом, применяли понятие «животной единицы». Сегодня, когда биогаз научились получать из произвольного органического сырья, это понятие отошло и перестало использоваться. Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфид, а также водорослей. Выход газа может достигать до 500 м3 из 1 тонны.

В мире наблюдается рост использования биогаза для производства тепла и электроэнергии. Рынок биогаза на сегодняшний момент наиболее развит в странах ОЭСР, что объясняется тем, что именно развитые страны первыми внедрили программы перехода к альтернативным источникам энергии и планомерно поддерживали инициативы, направленные на внедрение новых технологий. В 2008 г. в странах ОЭСР производство электроэнергии с использованием биогаза составило около 30 ТВт-ч.

Лидером по производству биогаза является ЕС. С 1987 по 1995 годы в Европе построено более 150 биогазовых установок и станций [42]. В настоящее время европейский рынок биогазовых установок оценивается в 2 млрд. долларов США, по прогнозам он должен вырасти до 25 млрд. к 2020 году. В Европе 75 % биогаза производится из отходов сельского хозяйства, 17 % – из органических отходов частных домохозяйств и предприятий, еще 8 % – из отходов сточных вод (установки в канализационно-очистных сооружениях). Первое место по количеству действующих биогазовых заводов принадлежит Германии – в 2010 году их насчитывается более 9 000. Только 7 % производимого данными предприятиями биогаза поступает в газопроводы, остальное – используется для собственных нужд производителя. В 2007 г. объем электроэнергии, производимого с помощью биогаза, составил около 2,9 ТВт-ч. В перспективе 10–20 % используемого в стране природного газа может быть заменено биогазом.[42].

В 2001 году в мире было введено в эксплуатацию более 1000 биогазовых установок и станций, из них – 45 % в Европе, 15 % – в США, затем идет Бразилии и другие страны (Китай, Индия и т. д.)

С точки зрения масштабов применения биогаза лидирует Дания. Среди других европейских стран с высокими темпами развития рынка биогаза стоит выделить Великобританию, Швецию, Норвегию, Италию, Францию, Испанию, Польшу и Украину.

В США действует всего около 200 биогазовых заводов, работающих на сельскохозяйственных отходах. При этом в США довольно высокий уровень утилизации биогаза свалок – около 50 %, биогаза сточных вод – около 10 %.

В последние годы эти технологии были детально оценены в Дании, которая стала первой страной, успешно продемонстрировавшей коммерческие биогазовые заводы по переработке отходов животноводства и других сельскохозяйственных отходов для получения тепловой и электрической энергии.

В Дании вклад биогаза в энергетический баланс страны составляет 20 %.

Значительная часть производимого биогаза используется для получения электрической энергии с к.п.д. 31 %, производительность по электроэнергии на 1 тонну перерабатываемых отходов варьирует от 48 до 104 кВт час.

Рис. 3–8. компания Lemvig Biogas стала самой крупной установкой по производству биогаза в Дании.[3-30].

Энергоемкость всего производимого в 2011 г. в Дании биогаза – 4.1 РДж или 1 млн. ту.т./год. [3-31] 46 % централизованных станций, 27 % фермерских станций.

Сельскохозяйственные биогазовые станции перерабатывают: 2.5 млн. т навоза или 5 % от общего объема навоза, 0.5 млн. т органических отходов.

В Дании эксплуатируются: 22 централизованных биогазовых станций мощностью от одного до 4.5 МВт и 60 фермерских мощностью от 0.25 до одного МВт.

Общее число биогазовых станций 172, из них – 60 индивидуальных фермерских, 21 большие кооперативные, 61 станция перерабатывает сточные воды, 25- на мусорных полигонах с получением лендфилл-газа и 5 станций крупных индустритальных компаний. [3-31].

Для генерации тепла и энергии используется навозная жижа из примерно 75 ферм, а также отходы и остаточные продукты из промышленного производства Это способствует формированию здоровой экономики, как для установки, так и для бытового потребления тепла. Кроме того, следует выделить связанные с этим дополнительные преимущества такие, как уменьшение загрязнения окружающей среды и снижение выбросов парниковых газов. Каждый год из производимого биогаза генерируется более 21 миллиона кВт. ч Это электричество продается местной сети электроснабжений. Избыточное тепло из системы охлаждения газового двигателя превышает 18 миллиона кВт. ч. в год. Это тепло распределяется между пользователями центральной котельной Lemvig. Количество пользователей составляет более 1000 домов. Установка для производства биогаза была построена под ключ компанией BWSC [3-29].

Рис. 3–9. Расположение биогазовых установок в Дании. Красные точки- общие кустовые фермерские биогазовые станции (22), синие-отдельные фермерские биогазовые станции [3-30].

Рис. 3-10. Компания Lemvig Biogas может принимать грузы органических отходов от 200 до 10 000 тонн за один раз либо в порту Лемвиг (максимальная осадка 4 м), либо в порту Тюборон (макс. осадка 8,5 м).[3-29].

Дания – мировой лидер в индустриальном производстве биогаза. Доля ВИЭ, как ожидают, к 2035 г. увеличится до 35 %. Наряду с другими возобновляемыми источниками энергии правительство Дании представляет налоговые льготы и для производителей биогаза, т. е. около 20 % капитальных инвестиций для централизованного биогаза и 30 % для индивидуальных станций или установок [3-25].

В течение последних 10 лет наибольшее внимание в этой стране уделялось строительству больших централизованных биогазовых заводов, которые занимаются переработкой отходов животноводства и птицеводства, создающих серьезные экологические проблемы в некоторых районах. В 1996 г. в эксплуатации находилось 18 централизованных биогазовых заводов, способных ежегодно обрабатывать 1,2 млн т биомассы (75 % отходов), давая от 40 до 45 млн м3 биогаза, что эквивалентно 24 млн. м3 природного газа (в среднем 37,5 м3 биогаза на 1 т отходов). [3-13].

Большие количества биогаза производятся главным образом при перереработке твердых бытовых отходов городов: в США – эквивалентно 93–10.15 Дж, Германии -14 1015, Японии – 6 • 1015, Швеции – 5 • 1015 Дж [22]. В Индии, как и в Китае, основной упор сделан на семейные и общинные биогазовые установки – в 1993 г. их было около 1 850 тыс. Однако они требуют первоначальных относительно высоких инвестиций и поэтому не всегда доступны индийским крестьянам. Только в тех случаях, когда нет других источников биомассы, биогаз становится важным источником энергии [3-24].