Барбара Эдер, Хайнц Шульц. Биогазовые установки. Практическое пособие
Подождите немного. Документ загружается.
измерения электрического напряжения „Вольт”. Вольта удалось уловить в 1770 г.
болотный газ в отложениях озер на севере Италии, после чего он занялся
проведением опытов по сжиганию этого газа. Английский физик Фарадей
экспериментировал также с болотным газом и идентифицировал его как
углеводород. Только в 1821 г. исследователю Авогадро удалось установить
химическую формулу метана (СН4). Известный французский бактериолог Пастер в
1884 г. проводил испытания с биогазом, который он выделял из твердого навоза. Он
впервые предложил использовать навоз с парижских конюшен для производства
газа на освещение улиц.
Рис.1.2: Принцип работы „Эмшерского колодца”
Очень мощный импульс развитию технологии задал процесс открытия анаэробного
гниения, после того как в конце 19 века было сделано открытие, что таким образом
можно очищать сточные воды. В 1897 г. в больнице для больных проказой г.
Бомбей/Индия построили первую установку, газ которой использовали для
освещения, а в 1907 г. для питания двигателя на производство электроэнергии.
В Германии инженер с очистных сооружений Имхофф с 1906 г. на территории
региона Рур начал систематическое строительство анаэробных, двухъярусных
установок по очистке сточных вод, получивших название „эмшерский колодец” (Рис.
1.2). (Название Эмшер вначале имела река, образованная вследствие
мелиоративных работ на эмшерских копальнях, но потом во время интенсивного
индустриального развития превратилась в сточный канал, обслуживающий большую
часть региона.) На сегодняшний день каждое очистное сооружение имеет
анаэробные этапы (Рис. 1.3), выработанный канализационный газ от которых
используется для отопления ферментаторов или на выработку тепла и
электричества.
До начала Второй мировой войны использование канализационных газов получило
быстрое распространение. Были разработаны плавающие колоколоподобные
газгольдеры, мощные мешалки и системы отопления для ускорения процесса
гнитья. Продажа очистного газа для предприятий имела большой спрос. В этот
период существенного распространения приобрели эксперименты по очистке газа от
воды, двуокиси углевода и сероводорода с целью его расфасовки в железные
баллоны и использования как топлива для транспортных средств.
Перед Второй мировой войной и на протяжении войны в Германии в связи с
возросшим спросом на „газовое топливо” пытались увеличить производство
канализационного газа путем добавления твердых органических отходов, то есть
применяли метод, называемый сегодня коферментацией. В 1940 г. в г. Штутгарт
впервые успешно удалось подмешать отсепарированный жир.
1.3: Коммунальная биогазовая установка (анаэробный этап очистного сооружения)
По инициативе Имхоффа в г. Халле проводились эксперименты с отходами
лакричного корня, каныгой, лигнином, отходами растений и зерна. Было
установлено, что лигнин производит 19 л газа с килограмма сухой массы, канига
давала 158 л/кг, а лакричный корень даже 365 л/кг, для последнего, однако период
брожения составлял 45 дней. Очень подробные опыты с коферментации проводил
д-р. Франц Попель во время войны в Амельсфоорт/Нидерланды. Уже тогда
добавляли органические остатки домашнего хозяйства для экспериментов.
Очень хороший исторический обзор развития технологий по производству биогаза
приводит Шнелль в своем труде „Биогаз, шанс, который долго упускали”.
Зарождение биогазовой отрасли в сельском хозяйстве
Только в послевоенное время сельское хозяйство стало рассматриваться как
потенциальный поставщик биогазового сырья, Имхофф в 1947 г. указывал на то, что
из навоза от одной коровы можно произвести в сто раз больше газа, чем из
очистного шлама одного городского жителя.
Технический университет г. Дармштадт в 1947 г. разработал биогазовую установку
для небольших сельскохозяйственных предприятий с горизонтальным
ферментатором (тип „бродильный канал”) получивший название „система
Дармштадт”. По этому принципу Ройш построил в Хоенштайне/федеральная земля
Вюртемберг в 1959 г. – тоесть более 40 лет назад – за 6000 немецких марок
(соответственно сейчас 3000 евро) установку, получившую широкую известность
(Рис. 1.4). Другие известные типы установок были разработаны в Берлине и
Мюнхене (работающие на твердом навозе).
Кураторий по вопросам сельскохозяйственной техники с самого начала взял под
свою опеку работу над новой технологией производства биогаза и образовал
рабочую группу по биологическому производству гумуса и метана.
В 1950 г. заработала первая большая сельскохозяйственная биогазовая установка в
Аллерхопе недалеко от Целле/федеральная земля Нижняя Саксония по системе
Шмидта-Еггерглюса. Компания Шмідта-Еггерглюса построила около 20 установок по
принципу последовательных резервуаров (Рис. 1.5).
Д-р. Вальтер Еггерглюс, зять Фердинанда Шмидта был одним из известнейших
экспертов по биогазу той эпохи. Он придумал название „бигугаз” чтобы еще раз
подчеркнуть действие переброженного удобрения. В то время как удобрение
использовали исключительно твердый навоз, который смешивали в резервуаре
предварительного хранения с водой и гниющим шламом, поскольку еще не
существовало приспособлений для подачи жидкого навоза (пол с отверстиями,
решетки). Общее количество изготовленных в 50-х гг. биогазовых установок в ФРГ
составляло ок. 50, многие из них правда были закрыты из-за низкой эффективности
после непродолжительной эксплуатации.
В 1955 г. началась „нефтяная лихорадка”. Дизель стоил в то время 0,20 немецких
марок/л (0,10 евро/л) и цены рухнули до 1972 г. до 0,08-0,10 немецких марок/л (0,04-
0,05 евро/л). В то же время возросло массовое потребление минеральных
удобрений. Все биогазовые установки за исключением двух были остановлены,
действующими оставались только самостоятельно построенные установки
Ройш/Хоенштайн и Шмидта-Еггерглюса на территории монастыря Бенедиктинцев,
построенная в 1955 г. (Фото. 1.6). Последняя вошла в историю биогазовой техники
как никакая другая.
Изобр. 1.4: Биогазовая установка Ройш: вид в разрезе, г. Бернлох (по чертежам
Маурер [29]).
Биогазовая установка монастыря Бенедиктинцев
Установка состоит из 2 ферментаторных башен, одной башни для хранения,
газометра и машинного отделения, была рассчитана на 112 голов КРС в расчете на
производство газа 86.400 м³/год. На момент строительства стоила 72.500 евро, а на
ее обслуживание затрачено 12.500 евро.
Биогаз использовали на кухне монастыря для приготовления пищи, его избыток
перерабатывали с помощью дизельного двигателя MAN на электрический ток.
Благодаря использованию технологии теплообменника, сырья в виде соломы и
небольшом объеме резервуара для брожения в 1977-79 гг. удалось достичь добычи
газа в размере 2,9 м³ на единицу КРС/день, что считалось очень значительным. В
1980 г. эксплуатация установки прекратилась, поскольку монастырь больше не
содержал скота. Эта установка проработала в общей сложности 25 лет.
Последствия нефтяного кризиса
Второй подъем в развитии биогазовых технологий начался после нефтяного кризиса
1972/3 гг. Кураторий по вопросам сельскохозяйственной техники в марте 1974 г. под
влиянием мировой тенденции поиска альтернативных источников энергии
организовал профессиональную дискуссию „Насколько актуален сегодня биогаз?”,
которая уже включала в себя аспекты охраны окружающей среды. Многочисленные
фермеры, изобретатели, компании и исследовательские институты начали после
этого интенсивное развитие биогазовых технологий.
1.5: Схема завода по производству биогумуса и –газа. Система Шмидта-Еггерглюса.
К этому процессу свои усилия приложил также д-р Еггерглус. Очень активным был
также еще один пионер биогазовой сферы, который уже в 1953 г. построил
биогазовую установку в Унтерзонтхайме: Фриц Вебер, фермер и депутат. В 1962 г.
он построил улучшенную установку в Георгенау, частично работающую в
анаэробных условиях и в ней сознательно создавались условия для образования
плавающей соломенной корки, которую в случае необходимости можно было
выловить грейфером.
В 1980 г. в Баварии действующими были 15 установок (для сравнения на
сегодняшний день ок. 1000), а в Баден-Вюртемберге 10 установок. В изданном В.
Пальцом труде в 1985 г. „Биогазовые установки в Европе” упоминались 75 объектов
в Германии, некоторые из перечисленных правда никогда не были достроены. В
распространении биогазовой техники на то время был значительный перевес юга
над севером Германии. Большинство установок со значительным отрывом (ок. 80%)
находились в Баварии и Баден-Вюртемберге, остальные распределялись между
другими федеральными землями. Причина такого большого распространения на юге
страны было в первую очередь связано с развитием животноводства на больших
предприятиях и активном консультировании биогазовыми экспертами.
Вместе со многими полезными разработками место имели и негативные, как это уже
известно сегодня: барабанный реактор, плавающий в теплой воде, биогазовые
установки, расположенные под хлевами со скотом, компактная семиконтурная
установка были теми ошибочными путями развития. Определяющим для этого
периода было подстраивание уже существующей техники и оборудования к
потребностям технологии производства биогаза, как-то напр. использование
доступных резервуаров для навоза, использование моторных погружных мешалок
или оснащение серийными двигателями блочных генераторов.
Большинство установок было построено в период с 1980 до 1985 гг. Одну из
наилучших и наиболее дешевых установок из расчета 165 евро/единица КРС
собственными силами построил Иоганн Зедльмаер в Рудельцхофене (Изобр. 1.7) из
использованных компонентов. Самая дорогая и наименее использованная установка
была установлена на предприятии Шрауфштеттер, г. Изманинг в рамках
исследовательского проекта. В отличие от первой волны развития биогазовых
технологий в 50-х гг., в качестве сырья для установок подавали больше не твердый
навоз, а жидкий. К тому времени уже стали распространенными технологии с
щелевым полом или отверстиями. Это с одной стороны облегчило смешивание,
подачу и перемешивание, а с другой стороны привело к меньшей добыче газа
(разбавленный субстрат). За период с 1985 по 1990 гг. строительство новых
установок значительно сократилось, но не полностью. В том, что отрасль полностью
не исчезла, есть значительная заслуга объединения „Bundschuh Biogasgruppe”,
которое проводило ежегодные выездные симпозиумы, посвященные биогазовым
технологиям.
1.8: Рост числа сельскохозяйственных биогазовых установок в Германии с 1960 по
2005 гг.
Закон о подаче вырабатываемого тока в сети от 1990 г. и нововведения в
„Законе о возобновляемых источниках энергии от 2000 г.”
Третья волна развития биогазовых сельскохозяйственных установок началась в
1990 г. благодаря законодательному урегулированию выплат за подачу тока из
биогаза в сети общего пользования, целью которого была поддержка использования
в экономике возобновляемых ресурсов. Благодаря новому законодательству в 2000
г., согласно которого предусматривалось более высокое и гарантированное
вознаграждение производства электроэнергии из биогаза, эта волна оживления в
развитии биогазовых установок длится и до сегодняшнего дня.
Дополнительным стимулом для развития стало интенсивное коферментирование
благодаря новой генерации дешевых компактных стыковочных агрегатов для
производства энергии-тепла с новыми, более дешевыми спаянными газгольдерами
и очисткой от серы путем нагнетания воздуха. Объединение Германии также задало
новых импульсов. На территории бывшей ГДР существовало 9 больших биогазовых
установок вместительностью до 9000 м³!
Поощрение энергии из возобновляемого сырья благодаря обновленному
Закону ЕС об энергетике от 2004 г.
В 2004 г. ЕС приняло обновленный закон, дающий толчок к небывалому за
всю историю развитию использования биогаза. Вместе с целым рядом поощрений,
он надавал для владельцев биогазовых установок за переработку энергетических
культур, выращиваемых специально для установки, дополнительное поощрение в
размере 6 центов за выработанный кВт электроэнергии. Этот бонус впервые сделал
возможным, чтобы не только животноводческие фермы вырабатывали биогаз, но и
небольшие фермы, которые бы имели возможность вырабатывать биогаз с
использованием только возобновляемого сырья.
Биогаз сегодня
До 1993 г. количество биогазовых установок в Германии возросла до более
чем 250, из них около 130 находились в Баварии и 80 в Баден-Вюртемберге. Лишь
появление закона, гарантирующего возможность продавать электроэнергию в
общественные сети от 1990 г. с относительно низкой оплатой такой энергии в
размере лишь 10 центов/кВт, привел к увеличению количества установок почти в
четыре раза до 1000 установок по состоянию на 2000 г. Повышение тарифов за
электроэнергию, подающуюся в электросети и гарантия покупки электричества (2000
г.) вызвали возрастание количества установок на 250% только на протяжении
четырех лет. Полный прорыв произошел в 2004 г., когда было принято закон ЕС о
поощрении возобновляемых источников энергии, после которого только на
протяжении одного года количество установок возросла на 4000 (работающих
установок и строящихся Изобр. 1.8).
Таким образом, Германия, по количеству биогазовых установок
сельскохозяйственного применения стала в этой сфере европейским лидером.
Однако такое количество установок не имеет еще ни единого эффекта на
уменьшение их стоимости. Наоборот – установки стают все больше, возрастает
уровень их автоматизации, заметно возросли требования к безопасности
эксплуатации, что подогревает дальнейший рост инвестиционных затрат. Закон
позволяет также продажу газа в газовые сети, но технически этот вопрос еще пока
не решен, также под этот закон еще не выработаны тарифы.
В целом сельскохозяйственные установки стают все большими. Если еще три года
назад установки с установленной мощностью 100-150 кВт считались чрезвычайно
мощными, то уже сегодня существуют установки на 250-500 кВт. Работают даже
установки на 1 мегаватт электрической мощности и более. Преимущественно это
установки, построенные несколькими партнерами и эксплуатирующиеся целыми
промышленными консорциумами. Сырье предоставляется с окружающих
сельскохозяйственных предприятий, с которыми заключены долгосрочные договора
о поставках. Фермеры для таких установок являются поставщиками сырья.
Обслуживание установок с каждым разом также становится все более
профессиональным. Большие инвестиционные затраты и вместе с тем вероятность
быстрой потери рентабельности из-за простой ошибки при эксплуатации вызвали
огромный спрос на образовательные мероприятия и мероприятия по повышению
квалификации.
Следуя за обновленным законодательством от 2004 г., использование
субстратов пережило существенные изменения. Почти все новые установки
питаются возобновляемым сырьем. Навоз, вообще если и используется, то служит
для разбавления субстрата или в рамках реструктуризации предприятия (отход от
животноводства) вообще исключается из производственного процесса.
Коферментационные установки, стоящие в прошлом стольких усилий и затрат
(разрешения, техника безопасности), уже почти не играют никакой роли. То, чего
стремились достичь техническими средствами для безопасности, наконец то
сбылось. Большие затраты, низкие тарифы за выработанную электроэнергию по
сравнению с другими типами, работающими только на возобновляемом сырье и уже
разделенные рынки по типу потребляемых субстратов привели к тому, что такие
установки пользуются низким спросом.
Наконец законодательство ЕС вызвало то, что только немногие, но технически
хорошо оснащенные предприятия занимаются ферментацией косубстратов. Этот
необоснованный раздел кажется также логическим с точки зрения больших
требований к безопасности эксплуатации коферментационных установок.
Потенциал органических субстратов, который можно использовать для
производства биогаза является огромным по сравнению с тем, который сейчас
используется. Исследователь Кальтшмитт рассчитал, что со всех поступлений
навоза, подходящих для технической переработки, со всей Германии можно
произвести 80,9 PJ/год из биогаза, для этого необходимо было бы иметь 220 000
биогазовых установок. При этом в первую очередь речь идет о 67% малых хозяйств
с количеством поголовья БРС менее 75. На сегодняшний день все еще нет
достаточно эффективной технологии, чтобы можно было предложить построить
биогазовые установки для этих хозяйств. Интерес в первую очередь представляют