Барбара Эдер, Хайнц Шульц. Биогазовые установки. Практическое пособие
Подождите немного. Документ загружается.
установки, работающие на сене, однако они имеют очень большие
производственные затраты (3-4 разовый сбор сырья) по сравнению с другими
работающими на возобновляемом сырье установками.
Четко определено, что 86% биогазового потенциала содержится в
сельскохозяйственном сырье и лишь 8% в промышленных и коммунальных отходах.
Даже если на протяжении ближайших 10 лет будет построено лишь 10%, тоесть
22.000 новых установок, то фермеры, консультанты, инженерные бюро,
производители и государственные органы имели бы достаточно работы.
Техника значительно изменилась с годами и стала более точной в работе.
Возрастание количества установок на возобновляемом сырье вызвало появление
полностью новой технологии его подачи. Классический резервуар предварительного
содержания уже отошел в прошлое. Разнообразные новые системы подачи
позволяют прямую и в первую очередь автоматическую подачу в Ферментатор.
Техника для смешивания благодаря возрастанию использования сухих субстратов
имеет тенденцию в направлении систем с большими винтами и высокой приводной
мощностью.
Непропорциональность в распределении количества построенных установок
между севером и югом Германии постепенно меняется. Однако и на сегодняшний
день Бавария, Баден-Вюртемберг, после которых следом идут Нижняя Саксония и
Северный Рейн-Вестфалия являются лидерами по количеству установок. Если
посмотреть на электрическую мощность, то и другие федеральные земли делают
свой весомый вклад в производство электричества из биогаза (Изобр.1.9).
Параллельно с техническим развитием возник целый ряд организаций и
институций, работающих в биогазовой сфере, наиболее важной среди которых
является Отраслевой союз производителей биогаза (biogas.org), основанная в 1992
г. бывшими членами „Bundschuh Biogasgruppe”. Объединяя свыше 2000 членов, она
является самым большим союзом в Европе. Включая свои региональные структуры,
она представлена в каждой федеральной земле, организовывает заседания,
учебные поездки, выставки, готовит литературу, предоставляет экспертов для
планирования и строительства установок (смотр. также раздел 14), лоббирует
добычу биогаза в сельском хозяйстве.
Приятным также является тот факт, что возрастает количество инженерных
бюро, которые помогают фермерам в планировании и реализации проектов.
Большинство установок до последнего времени были построены преимущественно
собственными силами либо по собственным проектам. Установки под ключ до
сегодняшнего дня были мало представлены на рынке, но наверняка будут
появляться все чаще.
Большое количество разрозненных бюро по планированию привело также к
тому, что нет единой системы. В зависимости от региона и разработчика
преимущество предоставляется разным решениям. Разнообразие разных видов
биогазовых установок имеет и свои недостатки – это мешает стандартизации.
Клиент, только начинающий работать в биогазовой сфере, стразу же чувствует
перезагруженность информацией о разных системах и вариантах решений. Сразу
возникает желание провести оценку разным типам установок. К сожалению, этого не
всегда удается достичь, поскольку наработано много вариантов одинаковых по
своей эффективности. Поэтому свою роль играют другие аспекты: доверие к
разработчику/планировщику, существование построенных объектов, затраты или
территориальная близость, которые и определяют принятие решения в пользу той
или иной компании.
Кроме установок для одного владельца все чаще строят установки для
коммунальной формы собственности. Основы для этого уже были заложены
раньше, однако были проблемы с оценкой качества навоза, его транспортировкой,
разделом/потреблением газа. Сегодня владельцы установок видят в этом
преимущество такой кооперации напр. обслуживание во время отпуска, болезни
либо специализация в обслуживании.
1.2 Кому выгодно строить биогазовую установку?
Фермеры, строящие биогазовые установки, как правило, преследуют этим
самым единую цель: производство энергии. Кроме того преимущества можно
получить и от других позитивных факторов, перечисленных в таблице 1.1. Для
каждого предприятия перечисленные преимущества могут иметь свое значение,
поэтому можно спорить о приоритетности при составлении таких таблиц.
Уменьшение неприятного запаха при достаточном разложении субстрата является
существенным аргументом для фермеров, чьи площади расположены в
густозаселенных регионах. Иногда строительство биогазовой установки вообще
становится началом увеличения размеров фермы (увеличение количества
поголовья скота). Иногда неприятные запахи сами по себе являются причиной
демонстраций против строительства биогазовых установок.
С экологической точки зрения, большой интерес для эко-предприятий
предоставляет возможность путем брожения переработать азот на подходящее для
хранения вещество. Аргументом в пользу строительства биогазовой установки
может быть также создание рабочего места для будущего владельца хозяйства. Для
фермы напр. может быть важной возможность выведения своих сточных вод в
биогазовую установку вместо подключения дорогой канализации. В разделе 10
подробнее изложено влияние на окружающую среду вследствие производства
биогаза. Принципиально при строительстве биогазовой установки стоит учесть такие
аспекты:
1. С помощью биогазовой установки нельзя оздоровить предприятие,
переживающее кризис. Биогазовые установки, однако, могут помочь поддержать
эффективным предприятиям оставаться такими же эффективными.
2. Инвестиция в биогазовую установку связана
с долгосрочным
капиталовложением. Поэтому строительство установки должно быть хорошо
рассчитано с учетом перспективы!
3. В связи с возрастанием количества биогазовых установок, в некоторых
регионах возникает нехватка посадочных площадей для выращивания субстрата,
что в свою очередь увеличивает цену аренды земли. Для владельцев установок,
непосредственно зависящим от аренды либо покупки сырья это значит большой
риск. Поэтому важно провести расчеты по долгосрочному доступу к сырьевой базе.
4. Рентабельность установок, несмотря на высокое вознаграждение за
выработанную энергию все равно легко потерять. Поскольку покупка электроэнергии
является гарантированной, кроме затрат на сырье и цены за аренду, решающее
значение может иметь и использование тепла. Поэтому стоит разрабатывать
концепции с высокой эффективностью использования тепловой энергии.
5. Метановые бактерии требуют к себе такого самого внимания как животные
в хлевах. Это значит, что успешная эксплуатация биогазовой установки требует
специальных знаний. Именно поэтому стоит уделять внимание образованию и
повышению квалификации обслуживающего персонала, созданию у него
соответствующей заинтересованности.
6. Эксплуатация невозможна без надзора и проведения профилактических
работ. Кто не готов, в зависимости от типа и размера установки ежедневно минимум
1 час тратить на установку, тому лучше не браться за это дело.
7. При вывезении навоза после установки на поля существует опасность
потери аммиака. Поэтому стоит использовать специальную технику с подачей на
грунт через шланги (Изобр. 1.10).
С учетом этих обстоятельств биогазовая установка может быть интересной и
целесообразной при следующих условиях:
Законодательно урегулированная в рамках ЕС оплата электрического тока с
биогаза и цены на электроэнергию, которая на сегодняшний день
понижается: тоесть это выгодно тогда, когда собственная цена за
электричество является выше чем цена для продажи; в дальнейшем
невыгодным становится преодоление или сглаживание „пиковых периодов”
потребления, которые, однако, можно перекрывать с
помощью биогазовых
установок.
Необходимо иметь навоз минимум от 100 голов КРС.
Большая часть самостоятельно выполненных работ при строительстве
помогает снизить потери и может существенно улучшить рентабельность и
предоставит необходимые для будущего знания, которые пригодятся для
устранения неполадок.
Для установок, работающих лишь на возобновляемых ресурсах полезно
иметь большие собственные площади
для выращивания энергетических
растений с целью избежания рисков, связанных с ценой аренды земли.
Установка, работающая преимущественно на приобретаемом сырье либо на
арендованной земле, может минимизировать эти риски путем заключения
долгосрочных договоров про поставку и аренду.
Если есть возможность дешево и на протяжении длительного времени
получать соответствующие продовольственные отходы (сравн. Раздел 9), то
это может значительно повлиять на рентабельность установки и сэкономить
на покупке удобрений. Рентабельность установки не должна пребывать в
зависимости от поступления косубстратов или, по крайней мере, должна
быть гарантирована долгосрочными контрактами.
Коммуны и фирмы, имеющие проблемы с утилизацией жидких органических
отходов, могут их решить с помощью биогазовой техники.
Если есть потребность в установке резервуаров для навоза, то их с успехом
можно использовать для производства биогаза.
Фермеры, имеющие проблемы с эмиссией неприятных запахов при хранении
и вывезении гноя на поля, могут иметь большую выгоду от биогазовой
установки.
Площади сельскохозяйственного применения на территориях проведения
водозабора могут легче защититься от попадания нитратов в грунтовые
воды.
Фермеры, работающие в секторе экологического сельского хозяйства,
безотходного хозяйства, длительного использования сельскохозяйственных
ресурсов, защиты окружающей среды – получат в свое распоряжение
наилучший инструмент для этого.
Цели использования биогазовой технологии:
Производство высококалорийной энергии
Производство высококачественных удобрений
Уменьшение интенсивности запахов
Уменьшение агрессивного разъедающего действия
Улучшение показателей текучести
Уменьшение загрязнения воздуха аммиаком и метаном
Предотвращение потери питательных веществ
Уменьшение вымывания нитратов
Лучшая приспособляемость к потреблению растениями
Улучшение здоровья растений
Гигиенизация гноя
Уменьшение способности к прорастанию у семян сорняков
Переработка органических отходов
Экономия на затратах подключения к канализации
Таблица 1.1: Применение биогазовой технологии
2 Процесс образования биогаза
2.1 Возникновение биогаза
Этапы процесса
Биогаз является продуктом обмена веществ бактерий, образовывающийся
вследствие разложения ими органического субстрата. Процесс разложения можно
разделить на 4 этапа (Изобр. 2.1) в каждом из которых участие принимают много
разных групп бактерий:
1. На первом этапе аэробные бактерии перестраивают высокомолекулярные
органические субстанции (белок, углеводы, жиры, целлюлозу) с помощью
энзимов на низкомолекулярные соединения, такие как сахар, аминокислоты,
жирные кислоты и воду. Энзимы, выделенные гидролизными бактериями,
прикрепляются к внешней стенке бактерий (так называемые экзоферменты)
и при этом расщепляют органические составляющие субстрата на малые
водорастворимые молекулы. Полимеры (многомолекулярные образования)
превращаются в одномеры (отдельные молекулы). Этот процесс,
получивший название гидролиз, имеет медленное течение и зависит
внеклеточных энзимов как напр. целлюлоза, амилазы, протеазы и липазы.
На процесс влияет уровень рН (4,5-6) и время пребывания в резервуаре.
2. Далее расщеплением занимаются кислотообразующие бактерии.
Отдельные молекулы проникают в клетки бактерий, где они продолжают
разлагаться. В этом процесс частично принимают участие анаэробные
бактерии, употребляющие остатки кислорода и образующие тем самым
необходимые для метановых бактерий анаэробные условия. При уровне рН
6-7,5 вырабатываются в первую очередь нестойкие жирные кислоты (=
карбоновые кислоты – уксусная, муравьиная, масляная, пропионовая
кислоты), низкомолекулярные алкоголи - этанол и газы – двуокись
углерода, углерод, сероводород и аммиак (Изобр. 2.2). Этот этап называют
фазой окисления (уровень рН понижается).
3. После этого кислотообразующие бактерии с органических кислот создают
исходные продукты для образования метана, а именно: уксусной кислоты,
двуокиси углерода и углерод. Такие бактерии, понижающие количество
углерода являются очень чувствительными к температуре.
4. На последнем этапе образуется метан, двуокись углерода и вода в лажных
пределах как продукт жизнедеятельности метановых бактерий с уксусной и
муравьиной кислоты, углерода и водорода. 90% всего метана
вырабатывается на этом этапе, 70% происходит из уксусной кислоты. Таким
образом, образование уксусной кислоты (тоесть 3 этап расщепления)
является фактором, определяющим скорость образования метана.
Метановые бактерии исключительно анаэробные. Оптимальный уровень рН
составляет 7, при чем
амплитуда температурных колебаний может быть в
пределах 6,6-8.
Расщепление органики на отдельные составляющие и превращение в метан
может проходить лишь во влажной среде, поскольку бактерии могут перерабатывать
только вещества в растворенном виде. Таким образом, для брожения твердых
субстратов (ошибочно иногда называемое сухим брожением) существует
потребность в воде.
На сегодняшний день науке известно ок. 10 разных видов methanococcus и
methanobacterium, размером всего лишь 1/1000 мм, способных жить в разной среде.
В процессе расщепления продукты переваривания (обмена веществ) каждой
группы бактерий выступают питательными веществами для следующей группы
бактерий (смотр. Изобр.2.2). Пофазное расщепление органики происходит не с
одинаковой скоростью. Разные группы бактерий работают с разной скоростью
(смотр. Изобр. 2.3). В то время как аэробные бактерии при достаточном питании
удваивают свою массу на протяжении 20 мин. – 10 часов. (время генерации),
анаэробные бактерии существенно медленнее. Фаза образования уксусной кислоты
проходит наиболее медленно. Бактериям необходимо много дней для расщепления
питательных веществ и тем самым удвоения своей массы. Среди метановых
бактерий также есть несколько медленных видов, в первую очередь чистые
культуры требуют для этого 3-5 дней. Все остальные расщепляют уксусную кислоту
на метан на протяжении от нескольких часов до трех дней.
Быстрее всех работают кислотообразовывающие бактерии, производящие
первые преобразования органики уже на протяжении от нескольких часов до 2 дней.
В идеальном случае между фазами расщепления устанавливается динамическое
равновесие в концентрации веществ, а именно между поступлением питательных
веществ и их расщеплением. Наиболее часто совершаемой ошибкой является
перекармливание бактерий быстрорасщепляемым субстратом, что приводит к
накоплению кислот из-за кислотообразующих бактерий. В связи с этим может
наступить слишком резкое падение уровня рН, которого не переживут другие
бактерии. Кроме того, избыточная концентрация выработанного вещества приводит
к задержке роста вырабатывающей ее группы бактерий.
Динамическое равновесие также определяется легкостью расщепления
субстрата (смотр. Изобр. 2.4). Сахар и крахмал, например, через свою простую
структуру расщепляются очень быстро и требуют лишь короткого времени
пребывания в ферментаторе. Чем сложнее структура субстрата, тем дольше
длиться расщепление. Целлюлоза и гемицеллюлоза имеют широко разветвленную
структуру и разлагаются медленно. Лигнин, одеревеневшее вещество у растений,
количество которого возрастает с возрастом растения, разлагается бактериями
очень плохо, поскольку он проявляет стойкость даже к кислотам.
Скорость расщепления субстратов имеет прямое влияние на технически
необходимое время для брожения. Таким образом, уже при планировании
биогазовой установки стоит четко определить, какой субстрат или какие субстраты
будут использоваться для брожения. Однако не только технически необходимое
время для брожения определяет время пребывания в ферментаторе, значение
имеют также экономические показатели. Если мы хотим переработать очень
одеревеневший материал, то для этого стоит предусмотреть очень большой объем
ферментатора, чтобы получить из него метан. С экономической точки зрения это не
имеет смысла. Время брожения, таким образом, определяется динамикой
анаэробного расщепления и быстротой расщепления определенного субстрата.
Если ферментатор по новому заполнить субстратом, то после прохождения
отдельных фаз процесса расщепления биогаз образовывается медленно.
Количество выработанного ежедневно биогаза растет до того момента, пока не
будет достигнуто максимума. На момент достижения кульминационного момента
субстрат, который легко разлагается, будет переработан и бактериям останутся
лишь вещества, которые тяжело переваривать. Этим самым количество ежедневно
вырабатываемого газа будет понижаться до тех пор, пока не будет расщеплен весь
доступный материал или пока субстрат нельзя будет расщеплять дальше. Такой
процесс образования биогаза похож на так называемый периодический метод.
Сегодня принято использовать постепенный процесс, при котором субстрат
подается на протяжении дня многими небольшими порциями, что в свою очередь
ведет к равномерному производству биогаза (смотр. Изобр. 2.5).
Производство газа из 1 кг органического субстрата постепенно увеличивается
вместе с увеличением времени для брожения, вначале быстрее, по мере
возрастания времени брожения медленнее. Наступает такой момент, когда
количество произведенного газа настолько мало, что долгосрочное пребывание в