Текст книги "Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография"

Производство биодизеля менее сконцентрировано, чем производство этанола: в 2009 г. на 10 стран приходилось около 77 % мирового производства. В 2009 г. производство биодизеля в мире составило

16,6 млрд. литров (рост на 9 % по сравнению с 2008 г.). В 2009 г. ведущие места по производству биодизеля заняли Германия, Франция и США [3-42]. Камелина (рыжик, рыжей) масличная однолетняя трава Camelina sativa, может расти в засушливых местах, предгорьях, нижнегорный пояс. Выход масла с 1 га 490 кг (583 л). Если занять под камелину 1 млн. га неудобий из МЗР – потенциальный выход биодизеля составит 0,5 млн. т. [3-44].

Ятрофа – Jatrofa curcas – засухоустойчивый кустарник, семена содержат до 40 % масла, потенциал разведения – огромные пространства полузасушливых земель в Индии, Китае, Австралии, Африке (от Марокко до ЮАР). Ятрофа – представитель второго поколения энергетических организмов, т. е. не имеющих пищевого значения. В Индии ятрофой может быть засеяно 30 млн. га, потенциал производства биодизеля 60 млн т. В январе 2008 года в китайской провинции Гуанси стартовала программа под названием «1 миллион му биоэнергетических лесов» 1 млн. му равен примерно 69000 га. На этой площади будет высажена ятрофа. Всего в Китае 212 миллионов гектаров маргинальных земель, на которых могут выращиваться биоэнергетические культуры. Если занять под ятрофу 200 млн. га неудобий, то только в Китае потенциальное производство биодизеля составит 400 млн. т в год.[3-44]. Производство биотоплив (этанол и биодизель) в 2007 г. достигло 53 млрд. литров, что составляет около 4 % от ежегодного мирового потребления бензина. Темпы роста производства биодизеля > 50 % в год;

Таблица. 3-2

Производство биотоплива в 2008 г. [3-44]

Среди биотехнологий, применяемых для производства топлив и энергии, важное место занимают биогазовые технологии. Интенсивное их внедрение в развитых и развивающихся странах, повышение эффективности и рентабельности внесли значительные изменения в переориентировку этих технологий от только энергетических к экологическим и агрохимическим (производство удобрений), особенно при переработке разнообразных органических отходов. Очевидно, это является решающей альтернативой для получения биогаза.

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].

Основные положения национальной программы Индии по развитию биогазовых технологий включают в себя:

1. снабжение чистой энергией для приготовления пищи;

2. получение органических удобрений, обогащенных элементами химических удобрений;

3. повышение уровня жизни крестьян;

4. улучшение санитарно-гигиенических условий быта и работы [3-25]. Политическая тенденция – поддерживать строительство биогазовых станций большой производительности.

Китай известен своей сельской программой создания крестьянских биогазовых установок. С 50-х годов ХХ века было установлено более 35 миллионов крестьянских домашних биогазовых реакторов с ежегодным выходом биогаза 26.5 млрд. м³. Цель разработки составляет создание до 80 миллионов единиц к 2020 году, в том числе в климатически холодных регионах в северных районах Китая. [26, 37, 56].

Индия имела в 1983 г. 58 тыс. семейных установок, планирует к 1985 г. построить до 400 тыс. установок такого типа.

В странах ЕЭС в 1978 г. была 41 установка, в 1983 г. – 571 установка, работающие на жидких отходах, и 17 установок, перерабатывающих в биогаз (до 100 млн. м³ в год) городской твердый мусор.

В США широкое распространение получили крупные биогазовые установки по переработке городского твердого мусора со средней мощностью до 100 млн. м³ биогаза в год.

Значительная часть производимого биогаза используется для получения электрической энергии с к.п.д. 31 %, производительность по электроэнергии варьирует от 48 до 104 кВт час на 1 тонну перерабатываемого сырья, как правило, органических отходов. [3-27].

К производству биогаза относится также получение ЛЕНДФИЛЛ – ГАЗА, или биогаза – из мусорных свалок [3-28]. В настоящее время во многих странах создаются специальные инженерно обустроенные хранилища для твердых бытовых отходов с целью извлечения из них биогаза, используемого для производства электрической и тепловой энергии [23-8].

Таблица 3-3

Количество различных типов энергооборудования в мире по использованию лэндфиллгаза

Рис. 3-11. Лэндфилл-газ завод в местечке Сэиксаль, Португалия.[3-26].

Общий объем переработки ТБО – 4 млн. тонн/год, газ используется для электростанции мощностью 2 МВт.

В США к 2002 году находилось в эксплуатации 350 заводов по производству лэндфилл-газа, в Европе – 750 заводов., всего в мире-1152, общее количество производимой энергии – 3929 МВт, количество обрабатываемых отходов – 4548 млн. тонн, общая скорость (мировая) выделения лэндфилл-газа – 1.6 млн. куб. м в час.

Рис. 3-12. Электростанция из 13 модулей, использующая лэндфилл-газ в Местечеке Мон-Сант-Гуиберт, Бельгия (Переработка 300 тысяч тонн ТБО в год, мощность электростанции 9.5 МВт, мощность модуля -700 кВт. Скорость поступления лэндфилл-газа (50 % метана) – 5500куб. м/час)[3-26].

Биогаз дает 8 % электрической энергии, произведенной из возобновляемого сырья в США (данные 2006 г.). лендфилл-газ в 2005 г. составлял 24 % от всего количества метана (его производили более 350 заводов). Больше всего биогазовых фермерских установок находится в Калифорнии, Пенсильвании, Висконсине и Нью-Йорке. Приведенные данные свидетельствуют о широкомасштабной поддержке производства биогаза в США.[3-32].

Достижения различных стран – развитых и развивающихся– в области производства и потребления биотоплив представляют значительный интерес как для решения локальных энергетических проблем в современной России, так и для выхода России в качестве крупного поставщики биотоплив на мировой и европейские рынки.

В африканских странах сегодня работает 2 млн. биогазовых предприятий, которые обеспечивают газом около 10 млн. человек. 80 % твердого остатка, образуемого в результате работы установок идет на удобрения. По расчетам экспертов, емкость биогазового рынка в Африке – 20 млн. установок [3-42].

Таблица. 3-4

Оценочная стоимость биотоплива в Штате Айова (США)[3-26]

Производство биогаза из отходов животноводства и растениеводства. Навоз к.р.с. (1,3 млрд. голов) общее количество 9,5 млрд. т в год. Потенциальный выход биогаза ок. 570 млрд. куб. м/год – эквивалентно 1.1трлн. кВт. ч Из навоза свиней и помета птиц можно получить еще 70 млрд. куб. м биогаза, эквивалентных 140 млрд. кВт. ч При производстве биогаза параллельно получается высококачественное органическое удобрение (на два порядка эффективнее навоза). Потенциальный выход органического удобрения 11,2 млрд. т в год.

В мире работают сотни больших биогазовых заводов, перерабатывающих навоз. В Германии их 500 (сырьем служит смесь из 70 % коровяка и 30 % птичьих фекалий), в США создан крупный биогазовый завод, на котором утилизируется навоз от 115 тыс. коров! Этот опыт, несомненно, полезен для России, где вновь начато строительство крупных животноводческих комплексов, навоз которых пока накапливается в хранилищах.

В Швеции, которая сегодня стала лидером по использованию нетрадиционной энергетики в ЕС, биогаз получают из отходов мясокомбинатов (внутренностей животных). Даже курсирует особый поезд, работающий на сжиженном биогазе. Биогаза, полученного при переработке внутренностей одной коровы, достаточно, чтобы поезд проехал 4 км. [3-37].

В нашем климате для того, чтобы успешно протекал биохимический процесс, метантенк нужно подогревать. В Мурманской области

работают две крупных биогазовых установки с реакторами объемом в 50 м³.

Близок к биогазу свалочный газ, который вырабатывается в толщах гигантских «метантенков» – старых городских свалок и добывается оттуда через скважины примерно так же, как природный газ. Биогаз – газ, получаемый метановым брожением биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием трёх групп бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид – бактерии гидролизные, второй – кислотообразующие, третий – метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида.

Биоводород – водород, полученный из биомассы термохимическим, биохимическим или другим способом, например водорослями.

В настоящее время во всём мире ежегодно производится около 50 млн тонн водорода. Из них примерно 48 % производится из природного газа, 30 % из нефти, и 18 % из угля. При производстве водорода из углеводородов получается большое количество CO₂, который является одной из причин глобального потепления. К тому же не все страны обладают собственными углеводородами. Решением этих проблем может стать производство водорода из биомассы.

Термохимический метод При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500–800 °C (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, СО и CH4. Себестоимость процесса $5–7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0–3,0. [3-37].

Биохимический метод В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes, Enterobacter cloacae. Возможно применение различных ферментов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30 °C и нормальном давлении. Себестоимость водорода около $2 за кг.

Биофотолиз Учёные калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) 1999 году обнаружили, что если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают и начинается бурная выработка водорода. Водород может производить группа зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды, или канализационных стоков.

Синтез-газ (сингаз), смесь газов, главными компонентами которой являются монооксид углерода СО и водород Н2, которую можно получать в процессе термической обработки биомассы с использованием различных технологий. В настоящее время известно о нескольких инициативах по реализации проектов в области производства синтез-газа в некоторых странах, например в США, Европе, Японии, Австралии и Индии [3-37].

Топливо, полученное из водорослей. Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросного тепла ТЭЦ способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого тропического климата.[3-41].

Микроводоросли – сырье для производства биодизеля, биоэтанола и биоводорода.

Испанская фирма Bio-Fuel-Sistems (BFS): из одного кг пасты водорослей можно получить 5700 ккал топлива. Англо-голландский нефтеконцерн Royal Dutch Shell на Гавайях. Водоросли выращивают в прудах-накопителях сточных вод, продуктивность по выходу масла с гектара в 15 раз больше чем при производстве пальмового мала.

Компания «БиодизельДнипро», взяв за основу водоросли «Ботриокопкус брауний», разработала новый метод получения большого количества водорослевой биомассы в краткие сроки и нашла способ получения углеводородов близких по своим качествам к природной нефти и пригодной для изготовления транспортного топлива.[3-47].

Технология разработанная компанией имеет следующие преимущества: углекислый газ, выделяемый при каталитическом крекинге, подается в биореакторы и не попадает в атмосферу. В них он перерабатывается водорослями и полностью утилизируется с выделением кислорода. После отжима от воды и смешивания с катализатором полученная углеводно-водорослевая биомасса поддается биокаталитическому крекингу. Во время этого процесса выделяется CO₂, но он тоже направляется к биореакторам, поэтому все выбросы углекислого газа поглощаются водорослями (одна тонна преобразует 2 тонны вредной для окружающей среды субстанции).

В мире все больше ученых концентрируются на производстве биотоплива третьего поколения из водорослей.

Количество лабораторий, занимающихся проблемами производства биотоплива из водорослей в мире выросло в несколько сотен раз. Если в 2006 году этой проблемой занималось около 10 лабораторий во всем мире, то в 2009 число институтов, изучающих эту проблемы перевалило за 200. Инвестиции в этот сектор достигли почти 4 млрд долларов США. [3-48]. Водоросли представляют собой непищевую биомассу, поэтому ее использование для производства топлив не представляет угрозы продовольственной безопасности. Биотоплива третьего поколения можно выращивать промышленно в биореакторах или фотобиореакторах, освещаемых как естественным, так и искусственными источниками света, либо в открытых резервуарах на некультивируемых почвах, включая пустыни. Основные преимущества водорослей, как источника высокоэнергетически насыщенной биомассы, по мнению экспертов, состоит в том, что они растут в 20–30 раз быстрее наземных растений (некоторые виды могут удваивать свою массу несколько раз в сутки), а также производят в 15-100 раз больше масла с гектара, чем альтернативные рапс, пальмовое масло, соя или ятрофа.