Для автомобиля с бензиновым двигателем после дополнения специальными системами можно применять в качестве топлива метан. Обычно природный газ (состоящий более, чем на 90% из метана) сжимают до давления 200 атм и заполняют баллоны. Один или несколько таких баллонов размещается в автомобиле, двигатель которого работает на таком топливе. Биогаз же имеет гораздо большее количество примесей, чем природный газ. Поэтому под него нужно специально настраивать двигатель внутреннего сгорания. Также биогаз невозможно напрямую сжать до 200 атм из-за высокого содержания углекислого газа. В первой главе я не зря указал характеристики углекислого газа. При таком давлении углекислый газ затвердеет. А если ограничиться сжатием до 5 атм, то в баллоны поместится слишком маленький запас топлива. А задача очистки биогаза от углекислого газа (доведение до состояния «биометана») очень непростая и недешевая. Промышленные устройства очистки рассчитаны на большие перерабатываемые объемы и стоят многие сотни тысяч USD.
Пятое заблуждение – это когда люди считают, что достаточно выкопать яму, укрепить стенки, загерметизировать свод и засыпать в эту яму навоз, траву и листья, и выделяемым биогазом можно будет всю зиму отапливать жилище. Мнение такое не возникло на пустом месте, а базируется на гуляющих в сети Интернет картинках китайских/вьетнамских/индийских/африканских биогазовых установок ямного типа и бредовом сочинении какого-то журналиста про якобы успешный вышеописанный опыт где-то в России. Всем страждущим следует обратить внимание, что все реально эксплуатирующиеся биогазовые установки ямного типа находятся в странах с теплым климатом. Никто не слышал о миллионе установок, ну хотя бы в Турции? А ведь там уже относительно тепло!
Дело в том, что простые установки в виде армированной ямы в земле практически никак не теплоизолированы от грунта, в котором они расположены. В большинстве случаев грунт этот влажный. Поэтому почти всегда грунт является хорошим проводником тепла. А температура грунта в таких странах, как Украина, Белоруссия, Россия на глубине более 1 м круглый год составляет около 100C. Выше я написал, что психрофильный режим начинается с 150C. А реально заметный выход биогаза в психрофильном режиме начинается после достижения субстратом температуры 200C. В описанных выше теплых странах грунт обычно прогрет на глубину несколько десятков метров до температуры 20-300C. Поэтому, если в этих странах грунт действует, как бесплатный нагреватель, то в наших широтах грунт действует, как холодильник. Даже если подогревать субстрат, то из-за высокой теплопроводности грунта мы будет просто греть окружающий грунт.
4. Кому это нужно.
Вопрос несколько риторический. Возможно, надо было бы спросить: «Кому это можно?» Но нельзя давить энтузиазм в зародыше. Поэтому здесь я опишу, кому, в первую очередь, есть смысл подумать о создании и эксплуатации биогазовой установки.
Ответ достаточно простой. Думать об анаэробной переработке органического сырья следует тому, у кого это сырье образуется регулярно, дешево и в достаточных количествах. Почти наверняка при этом существует проблема утилизации такого сырья, потому что очень часто это сырье представляет собой опасность для окружающей среды. Решение задачи утилизации этого сырья сразу же минимизирует затраты или вообще избавляет от затрат на такую утилизацию. Это первая и главная причина для создания биогазовой установки. Второй побудительной причиной является энергия, которую можно получить в процессе анаэробного брожения органического сырья. Обычно этот фактор выносят во главу угла. Ну и третье – это получение из вредных для экологии органических отходов чрезвычайно полезного органического биоудобрения.
В зависимости от ежесуточно образующейся порции сырья можно думать о создании малой, средней или большой биогазовой установки. Такое деление по размерам – весьма условно. Скорее, стоит делить установки по функциональности и степени автоматизации. Но вполне естественно, когда более крупные по размерам и пропускной способности биогазовые установки наделяют дополнительными функциями и минимизируют применение труда человека для их обслуживания.
Наличие сырья – необходимое условие, но не достаточное. Еще понадобится площадка для размещения биогазовой установки. Редко удается создать настолько мобильную конструкцию, чтобы без больших усилий и затрат иметь возможность демонтировать и перемещать установку на другое место. Поэтому очень важно, чтобы место будущего размещения установки было в Вашей собственности или же в долгосрочной аренде. Чем больше размер будущей установки, тем с большей степенью вероятности Вам понадобятся официальные разрешения на размещение такого объекта. Значит, участок должен находиться в такой зоне, где разрешено промышленное строительство, и иметь соответствующий статус. К участку должны быть подведены коммуникации, в зависимости от конструкции будущей установки и типа сырья. Обычно нужны подвод электроэнергии, технической воды, иногда природного газа, отвод канализации. Для крупной установки очень не помешают хорошие подъездные пути.
Также понадобятся соответствующие финансовые средства. Биогазовая установка – объект очень недешевый. Затраты на малые биогазовые установки обычно начинаются от нескольких тысяч USD. Средние установки – десятки тысяч. Стоимость больших установок начинается от нескольких сотен тысяч USD, однако, действительно большие проекты требуют миллионных вложений.
Редко у кого есть достаточное количество собственных средств, поэтому стоит подумать об источниках финансирования, поискать возможности привлечения инвестиций. Срок окупаемости правильно эксплуатирующихся биогазовых установок составляет от одного года до пяти лет. Доход от эксплуатации установки появляется с заметной задержкой после начала финансирования, так как требуется время на монтаж и запуск установки. Для малых установок это время составляет от одной недели до пары месяцев, для больших установок – от нескольких месяцев до пары лет. Проблема с большими установками состоит не только в объемах строительства, но и в необходимости составлять и утверждать проектную документацию на объект промышленного строительства. Иногда получение разрешений на проектирование и утверждение проектной документации по времени может превысить в несколько раз длительность собственно строительства и запуска в эксплуатацию.
Поэтому финансовые средства должны привлекаться с условием начала графика погашения с задержкой до запуска объекта в эксплуатацию.
Ну и наконец, самым главным условием для создания биогазовой установки является большое желание владельца будущей установки. Без этого обязательного условия остальные факторы не имеют смысла. И наоборот, если есть очень сильное желание, то можно найти и все остальное, даже если изначально его нет.
5. Что можно получить.
Биогазовые установки имеют одно важное коренное отличие от всех остальных устройств альтернативной энергетики. Как и при использовании других устройств альтернативной энергетики, конечным продуктом работы биогазовой установки может быть произведенная энергия, чаще всего тепловая и/или электрическая. Но помимо энергии на выходе всегда образуется (но не всегда используется) другой продукт – высокоэффективное органическое биоудобрение. Третий продукт не является материальным, но за него можно получить вполне реальные весомые деньги. Это и утилизация отходов, и продажа квот парниковых выбросов по Киотскому протоколу. Конечно, этот источник дохода доступен, прежде всего, владельцам больших БГУ, однако, даже маленькая установка может заниматься утилизацией, например, отходов бойни, завода производству биодизеля и т.п. В случае утилизации отходов это может быть основной причиной для строительства биогазовой установки. Преимущества утилизации методом анаэробного брожения заключатся в том, что такой техпроцесс утилизации не является энергоемким, а наоборот, выделяет энергию. Вредность же исходных отходов для окружающей среды после прохождения процедуры анаэробного брожения меняет знак с минуса на плюс, и выходной продукт становится уже чрезвычайно полезным и восстанавливающим плодородные свойства почвы.
Рассмотрим теперь по отдельности все продукты, которые можно получить на выходе биогазовой установки.
5.1. Биогаз.
В первой главе мы уже рассматривали свойства и состав биогаза. Биогаз – это газообразная часть продуктов анаэробного разложения органических веществ, являющегося результатом жизнедеятельности симбиоза множества видов бактерий. То есть, процесс анаэробного брожения - биологический процесс. Он существуют сам по себе и в природных условиях: во-первых, в желудках животных организмов нашей планеты, а во-вторых, в толще грунта или на дне водоемов, где затруднен доступ кислорода. Биогазовая установка – эквивалент аквариума, в котором содержатся не рыбы, а специальные бактерии.
В силу таких исходно биологических свойств техпроцесса работы биогазовой установки невозможно абсолютно точно подсчитать заранее такие выходные параметры, как конкретный набор химических реакций, глубину разложения биомассы, удельный выход биогаза и его состав. Количество «внешних» факторов, влияющих на техпроцесс (управляющие воздействия) весьма ограничено. Обычно это температура, градиент температуры и скорость изменения температуры внутри реактора, степень герметичности реактора, частота подачи в реактор и размер порции свежего сырья, частота выемки шлама, частота и длительность циклов перемешивания субстрата внутри реактора. Естественные же «внутренние» факторы описываются тысячами возможных параметров. Одних только видов бактерий, участвующих в процессе, может быть больше тысячи, а есть еще химический состав и физические кондиции исходного сырья.
Рассчитать все это практически невозможно. Поэтому при проектировании биогазовых установок используют экспериментальные результаты, полученные на лабораторных установках, моделирующих требуемый техпроцесс в миниатюре. Также собирается статистика действующих больших БГУ. Статистические данные обрабатываются, группируются, и в результате получаются таблицы рекомендованных параметров техпроцесса и примерные выходные параметры при применении различных типов сырья. Но разброс величин в таких таблицах составляет до 50%.
Поэтому предсказать, например, суточный выход и состав биогаза для проектируемой биогазовой установки изначально можно именно с подобной точностью. Для увеличения точности расчетов до нескольких процентов, необходимо провести лабораторный эксперимент и соответствующие измерения. Тем не менее, простейшие расчеты позволят хотя бы оценить границы выхода биогаза, особенно верхнюю.
Как известно, исходное сырье состоит из воды и так называемого сухого вещества (СВ). Соотношение воды и сухого вещества сырья характеризуется таким параметром, как влажность.
Сухое вещество сырья состоит из органических (ОСВ) и неорганических веществ. Соотношение неорганических и органических веществ характеризуется таким параметром, как зольность.
Для получения этих параметров, необходимо взять пробы сырья и произвести соответствующие анализы в лаборатории.
Итак, зная тип сырья, и его влажность и зольность, можно посчитать, сколько органического вещества содержится в единице массы сырья. Зная суточное количество исходного сырья, можно посчитать, сколько ОСВ будет попадать в реактор биогазовой установки ежесуточно.
В статистических таблицах обычно указывают, какой объем биогаза выделится из единицы массы ОСВ на протяжении оптимальной длительности цикла брожения этого типа сырья. Обычно, эта величина составляет от 0,2 до 0,8 м3/кг ОСВ. Плотность биогаза составляет примерно 1,13 кг/м3. Поэтому, если бы все органическое вещество превратилось в биогаз, то выход биогаза составил бы 0,885 м3/кг ОСВ. Однако, в процессе анаэробного брожения получается не только биогаз, но также и вода, причем масса выделившейся воды может быть равна массе выделившегося биогаза. Соотношение выделяющихся воды и биогаза зависит от преобладания в процессе тех или иных химических реакций, а оно, в свою очередь, зависит от бактериального состава и исходного состава сырья. Помимо воды и биогаза, образуется еще и некоторое количество минеральных солей.
Кроме того, оптимальная длительность цикла обычно выбирается по критерию максимальной скорости выхода биогаза. После разложения около половины ОСВ в составе сырья скорость выделения биогаза обычно заметно падает. Это связано с тем, что органический состав ОСВ в исходном сырье достаточно неоднороден. Поэтому вначале разлагаются быстрорасщепляемые вещества, а «долгоиграющие» компоненты, типа лигнина, за этот срок остаются почти нетронутыми. Таким образом, глубина разложения биомассы в реакторах БГУ обычно составляет 40-60%. Эта величина может быть больше только при применении однородного искусственно созданного органического сырья, типа глицерина, либо при применении предварительной глубокой гомогенизации сырья, типа кавитационного измельчения, разрушающего даже молекулярные связи.
Вот и получается, что реально из 1 кг ОСВ можно выжать 0,3-0,5 куб.м биогаза.
Теперь разберем это все на примере. Допустим, что в Вашем хозяйстве есть 5 коров, которые стоят в стойле. Их навоз вместе с мочой собирается в отдельную канаву. Влажность такой смеси навоза с мочой обычно составляет около 85%. Суточный выход навоза без мочи у одной коровы доходит до 35 кг. Влажность навоза без мочи обычно составляет около 70%. Плотность навоза без мочи составляет около 950 кг/м3. Зольность сухой фракции коровьего навоза составляет от 2 до 20%, в зависимости от метода сбора навоза. То есть, все зависит от того, как много примесей песка и камней попадет в навоз. В данном случае зольность должна быть не выше 5 %. Влажность и зольность выбраны из статистических данных, а плотность можно измерить самостоятельно «методом Архимеда» с помощью пружинных весов и ведра.
Из 5 коров в сутки соберется 35*5=175 кг навоза. В этом навозе будет 175*(100-70)/100=52,5 кг сухого вещества. В этом сухом веществе будет 52,5*(100-5)/100=49,875 кг органического сухого вещества. Используя статистически полученное значение удельного выхода биогаза из коровьего навоза 0,4 м3/кг, получим суточный выход биогаза 49,875*0,4=19,95 м3. Следует пояснить, почему мы из удельного выхода биогаза из 1 кг ОСВ за весь цикл брожения получаем суточный выход. Дело в том, что биогазовые установки практически всегда работают в непрерывном цикле. Это обозначает, что каждые сутки в них добавляется суточная доза субстрата, а получившийся излишек шлама сливается. Шлама сливается чуть меньше, чем заливается субстрата, потому что часть содержимого реактора вышла наружу в виде биогаза. Объем реактора выбирается такой, чтобы рабочее пространство реактора вмещало количество суточных доз субстрата, умноженных на длительность цикла в сутках. Так получится, что среднее время пребывания субстрата в реакторе и составит один цикл. Можно представить реактор, как конвейер, длина которого соответствует объему рабочей области реактора. Суточная доза – это один объект на конвейере. Конвейер имеет длину, соответствующую количеству объектов, равному длине цикла в сутках. В сутки конвейер сдвигается на одну дозу. Получается, что скорость переработки составляет 1 дозу в сутки, но благодаря длине конвейера, эта доза находится на нем всю длительность цикла.
За все время цикла должно выделиться столько биогаза, сколько сырья находится внутри реактора. Например, рекомендованная длительность цикла брожения коровьего навоза в мезофильном режиме составляет 16 суток. Значит, внутри реактора всегда находится 16 суточных объемов субстрата. За 16 суток из реактора должно выделиться в 16 раз больше биогаза, чем из одной суточной порции субстрата. Но за одни сутки выделится 16/16=1 порция биогаза, как из суточной порции субстрата за полное время цикла.
Теперь рассмотрим, насколько точно мы сделали расчет суточного выхода биогаза. Если посмотреть накопленную в мире статистику по удельному выходу биогаза из навоза КРС, то величина выхода будет лежать в пределах 0,1-0,8 м3/кг ОСВ. Значит, выход биогаза может соответственно колебаться от 5 до 40 м3. Замечу только, что мой опыт указывает мне в сторону величины 5 м3.
Есть еще одна статистическая величина, при помощи которой мы можем проверить наши расчеты. На больших биогазовых установках собрана статистика по удельному суточному выходу биогаза по отношению к объему реактора. Обычно для коровьего навоза это 0,8-0,9 м3 биогаза на 1 м3 полного объема реактора в сутки.
Посчитаем объем реактора для нашего примера. В сутки мы имеем эквивалент 175 кг навоза влажностью 70%. Мы добавим воду для получения субстрата влажностью 90% (для малой биогазовой установки трудно будет оперировать с субстратом меньшей влажности из-за высокой вязкости). Таким образом, мы получим в сутки 175*(100-70)/(100-90)=525 кг субстрата. Значит, мы добавили 525-175=350 кг (или л) воды. Объем исходного навоза составлял 175/950=0,184 м3, или 184 литра. Значит, общий объем суточной порции субстрата составляет 184+350=534 л. Объем рабочей части реактора должен составить 534*16=8544 л, или 8,544 м3. Обычно, объем газового буфера реактора составляет 20% его общего объема, соответственно, объем рабочей области реактора составляет 80% его объема. Тогда полный объем реактора должен составить 8,544/80*100=10,68 м3.
Выход биогаза из такого реактора, работающего на коровьем навозе должен быть в пределах 8,5 – 9,6 м3. Это значит, что коэффициент 0,4 м3/кг ОСВ, который мы изначально взяли для расчетов, завышен в два раза. Нельзя утверждать, что он неверный, вполне возможен и такой случай, но чаще всего так не бывает.
Резюмируя все расчеты, показанные в этой главе по поводу получения биогаза, могу посоветовать только одно: «Будьте пессимистами!» Пока Вы не исследовали экспериментально конкретное сырье, для переработки которого вы собираетесь строить биогазовую установку, берите для расчетов нижнюю планку из статистических таблиц.
5.2. Тепловая энергия.
Биогазовая установка не вырабатывает тепловую энергию непосредственно, она ее потребляет. Температура самого распространенного режима работы биогазовых установок – мезофильного – составляет 37-380C, что выше, чем среднесуточная температура в европейских широтах, причем даже пиковые дневные температуры обычно ниже этой величины. Среди химических реакций, происходящих внутри биогазовой установки, есть как экзотермические, так и эндотермические. Но суммарный тепловой баланс реакций вместе с тепловым обменом с окружающей средой в наших широтах получается отрицательным. Поэтому в наших широтах подогревать субстрат в реакторе биогазовой установки приходится всегда.
Однако, биогаз, который выделяется в результате анаэробного брожения, содержит примерно 2/3 метана в своем составе. Поэтому самое первое применение для биогаза – сжигание для получения тепловой энергии. Сжигание такое производится в обычных газовых котлах или горелках, которые используются для сжигания природного газа или пропан-бутана. Но, как было сказано в первой главе, для оптимального сжигания биогаза желательно регулировать состав газово-воздушной смеси, если образование такой смеси перед сжиганием предусмотрено конструкцией горелки. Однако, если горелки рассчитаны и на природный газ и на пропан-бутан, это обозначает, что такая регулировка возможна, либо не нужна, поскольку для природного газа и пропан-бутана тоже нужна разная дозировка воздуха.
Теплотворную способность биогаза можно выразить в калориях или джоулях. Но, думаю, для обычного человека более понятным будет сравнение биогаза по теплотворной способности с природным газом. И там, и там сгорает метан, содержащийся в этих газах. Значит энергия, выделяемая при сгорании этих газов, пропорциональна количеству содержащегося в них метана. В природном газе содержится 92-98% метана, а в биогазе – 55-75%. Возьмем средние величины – 95% и 65%. Соотношение метана в этих газах получается 65/95=0,68. Это примерно две трети. Значит, для выполнения одной и той же тепловой работы (нагрева помещения, приготовления пищи) биогаза надо в полтора раза больше, чем природного газа.
КПД газовых котлов обычно составляет 90-95%. При работе газового котла на биогазе КПД может получиться меньшим из-за неточных настроек газо-воздушной смеси.
Еще одним способом получения тепла является когенерация. Когенераторы – устройства для получения из биогаза (и не только) одновременно нескольких видов энергии, обычно электрической и тепловой. Бывают поршневые и газотурбинные когенераторы. В первом случае работает классический двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, топливом для которого служит биогаз. Иногда это может быть дизельный двигатель, работающий на смеси солярки и биогаза. Тепловая энергия снимается с такого когенератора в виде горячей воды температурой около 750C, циркулирующей через теплообменник когенератора и нагревающейся там. А теплообменник, в свою очередь, может греться теплоносителем, охлаждающим рубашку двигателя, маслом картера и выхлопными газами. Тепловой КПД при этом может достигать 35-40%. Это неплохо, учитывая еще электрический КПД 30-33%.
Во втором случае работает газовая турбина на биогазе. Тепловая энергия снимается тоже в виде горячей воды, циркулирующей через теплообменник.
Таким образом, утилизация тепла, выработанного из биогаза, зависит от вида нагретого рабочего тела. Горячую воду направляют циркулировать по различным трубам и батареям отопления.
Горячими продуктами сгорания биогаза непосредственно греют емкости с водой, пищей, поверхности нагревателей и т.п. Попросту говоря, применение биогаза для получения тепловой энергии ничем кардинально не отличается от применения для этих же целей природного газа или сжиженного пропан-бутана.
5.3. Электроэнергия.
Самым широко распространенным способом получения электрической энергии из биогаза является использование газопоршневых генераторов на базе двигателей внутреннего сгорания. В данном случае топливом для такого двигателя служит биогаз. С выходным валом такого двигателя соединен электрический генератор. Чаще всего это генератор переменного тока. В большинстве случаев, а для генераторов мощностей от 10 кВт и выше - поголовно, генератор этот вырабатывает трехфазный переменный ток той частоты и напряжения, которые приняты в качестве стандартных в стране применения этого генератора. Так, например, для европейских стран, в т.ч. и стран бывшего СССР, это 50 Гц 400 В. Почему 400 В, а не 380 В? Потому что обычно такой генератор подсоединяют к общей электрической сети, соответственно, напряжение на выходе генератора должно быть немного больше (в холостом режиме), чем напряжение в этой сети, чтобы ток пошел из генератора в сеть, а не обратно.
Частота вращения электрогенератора 50 Гц обеспечивается электронной системой управления двигателя внутреннего сгорания, регулирующей подачу топлива в зависимости от скорости вращения выходного вала. Эта система также может синхронизировать частоту вращения вала с частотой в общественной сети, к которой подключен генератор.