ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОГАЗА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Рациональное использование отходов сельскохозяйственного производства – значимая проблема в наши дни. В распоряжении России огромные потенциалы мёртвой растительно-животной биомассы, которые можно направить на создание жидкого и газообразного топлива (биогаза), предотвратить загрязнение окружающий среды, заражения почвы болезнетворными бактериями и гельминтами, которые содержаться в навозных стоках животноводческих ферм. [2]

На сегодняшний день, число лиц, заинтересованных к производству биогаза, чрезмерно растет. Технология производства биогаза, позволяет дешево утилизировать органические отходы и всевозможные остатки продуктов питания в специализированных установка, что дает нам возможность обеспечивать потребителей теплом и электроэнергией.

ПОЛУЧЕНИЕ БИОГАЗА

Что же такое биогаз и как его получают? Все дело в бактериях, различные группы бактерий начинают разлагать органические субстраты, которые состоят из воды, белков, углеводов, жиров и минеральных веществ. В результате обмена веществ образуется смесь газов, которая называется биогаз.

Горючий метан (СН4) составляет от 5 до 85 % и является основным компонентом биогаза, а значит и основным энергосодержащим компонентом. Данный процесс разложения может наблюдаться только в анаэробных условиях, другими словами, кислород не должен воздействовать на процесс гниения. Такую картину можно наблюдать на болотах, трясинах, озерах и т.д. В такой среде, безусловно, не получится избежать контакта с кислородом, на помощь приходят другие бактерии. В данной ситуации процесс носит названия компостирования.

Рисунок 1. Стадии процесса получения биогаза [2]

В фазе гидролиза микроорганизмы начинают разрушать длинные цепочки молекул-полимеров до коротких молекул-мономеров. Значение pH на этом этапе – 6,5-7,0. Далее начинается ацитогенная фаза, другая группа микроорганизмов начинает воздействовать на мономеры и образуются пропионовая (CH3CH2COOH), масляная (С3Н7СООН), валерьяновая (C4H9COOH) и другие кислоты. При этом значение pH опускается до 4,5-5,5. На следующей стадии из образовавшихся ранее кислот получаются уксусная кислота (CH3COOH), водород H2 и углекислый газ CO2. Заключительный этап процесса образования биогаза называется метаногонез и проходит двумя путями:

1. СО2 + Н2 = СН4
2. CH3COOH = CH4 + H2O [3]

Причем вторым способом образуется около 70% от общего количества метана.

СОВМЕСТНАЯ ВЫРАБОТКА ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Данный метод подразумевает, что биогаз используется как топливо в двигателях внутреннего сгорания. Генератор приводится в работу для вырабатывания тока сети. В процессе появляется избыток тепла, он используется для отопления потребителей. Данный метод является наиболее экономическим.

Пример:

Содержание метана в биогазе примерно 60%, энергетическая ценность составляет 6 кВт·ч/м³. Выход энергии с 1 л мазута составляет 10 кВт*ч энергии; если гипотетически составляет 10 руб/л, то стоимость энергии будет 1 руб/кВт.ч.

При использовании в термических целях с КПД 90 % стоимость биогаза будет составлять:

6 кВт·ч/м³ 0,9 1 руб/кВт·ч = 5,4 цруб/м³ биогаза

Можно вывести следующее уравнение (предпосылка: 35 % электр. КПД, 7.5 руб/кВт·ч плата за подачу в элекросети и гаранти применения бонуса за использование возобновляемых источников энергии 6 цент/кВт·ч):

Производство электроэнергии:

• 6 кВт·ч/м³ 0,35 7,5 руб/кВт·ч = 15,75 руб/м³
• Использование избытка тепла: 6 кВт·ч/м³ 0,5 1 руб/кВт·ч = 3 руб/м³
• Общее использование для выработки электроэнергии использование избытка тепла = 18,75 руб/м³

По данным результатам можно сделать вывод, что при использовании биогаза не только для получения теплоты, но и для электроэнергии, что намного экономически выгоднее, нежели по отдельности.

ЭЛЕКТРОУСТАНОВКА НА БИОГАЗЕ

Рисунок 2. Блок-схема выработки тепловой и электрической энергии

Биомасса (1) поступает в бак хранения (2), где начинается первичная переработка биомассы до анаэробного сбраживания. Далее насос (3) перекачивает биомассу из бака в камеру сбраживания (4). Здесь, под воздействием анаэробных бактерий биомасса преобразуется в биогаз и отходы сбраживания. Отсек (5) собирает, полученный биогаз. По трубам, газ перекачивается в установку для очистки и дальнейшего сжатия (6), и в факел для сжигания излишек или для сжигания всего газа, в период технического обслуживания или ремонтных работ в генераторном агрегате, соответственно. В узле (6) идет очистка биогаза от различных примесей, влаги, всевозможных составляющих, способных вызвать коррозию и дальнейшей поломке генераторного агрегата. После сбраживания, остается, некое количество, отходов, они отправляются по трубе в бак (7) и используются, в последствии, для удобрения почвы. После установки (6), газ транспортируется в когенерационную электростанцию (10), основанную на четырёхтактном газопоршневом двигателе. Газовый генератор производит электроэнергию, благодаря сжиганию биогаза, а система утилизации осуществляет производство тепла путём его отбора из охлаждающей жидкости двигателя и продуктов сгорания. Вырабатываемое тепло отправляется к потребителям (9) и используется для поддержания постоянной температуры в камере сбраживания (4). Электроэнергия, производимая электростанцией, передается на трансформатор (11), который повышает напряжение и для дальнейшей транспортировки через сеть (12) потребителям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Биогаз имеет все шансы стать одним из самых востребованных источников для выработки электроэнергии. Россия ежегодно накапливает до 300 миллионов тонн в сухом эквиваленте органических отходов: 250 миллионов тонн в сельскохозяйственном производстве, 50 миллионов тонн в виде бытового мусора. Эти отходы могут быть сырьём для производства биогаза. [1]

Электроустановки, работающие на биогазовом топливе, способны не только генерировать электрическую энергию, но и вырабатывать достаточное количество теплоты для отопления потребителей.

Список литературы:

1. Искаков С.К. Мобильная биогазовая установка // ЭНЕРГОСВЕТ. —2015. — № 4. — С. 51.
2. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика (Пер. с нем. И предисловие М. И. Серебряного) — М. Колос, 1982. — С. 2—13.
3. А.А. Чернявский. Разработка мобильной биогазовой установки и требований её безопасной эксплуатации: студент — 2015. — С. 18.