Социальный проект Biobolsa обеспечивает местных крестьян простыми биогазовыми установками, которые позволяют им автономно получать газ из органических отходов. В 2010 году проект стартовал в Мексике, а сегодня активно развивается в 9 странах Латинской Америки и Африке.
Идея проекта Biobolsa возникла еще в 2007 году, когда молодой мескиканец Алекс Итон решил сделать бюджетный анаэробный биореактор природного газа для фермерских хозяйств. К 2010 году Алекс оформил все патенты и полноценно запустил первый пилотный проект.
В принципе ничего сложного, большие прочные мембранные мешки 15 метров в длину 2 метра в ширину и более 2 м в высоту. Их вместимость около 40000 литров жидкости, и возможность переработки до 1 тонны отходов в день. Есть более компактные решения 2х2 метра для небольшой семьи, они перерабатывают до 20 кг отходов.
При помощи такой биогазовой установки одна крестьянская семья с четырьмя свиньями может производить достаточное количество биогаза для готовки на кухне.
Фермеры часто видят увеличение урожайности на 20-40% в первый год, и с каждым годом она только растет. На ферме с 1000 свиней, семья оснащается системой, которая способна производить больше энергии, чем они могут потреблять и они даже продают электроэнергию обратно в мексиканскую электросеть.
Повсеместное внедрение таких биогазовых установок благотворно сказывается и на экологии. Согласно исследований Организации продовольства FAO, современный сельскохозяйственный бизнес генерирует больше выбросов парниковых газов, чем транспорт. Этот сектор также загрязняет водные источники отходами животного происхождения, антибиотиками, гормонами, химическими удобрениями и пестицидами которые используются для выращивания сельскохозяйственных культур.
Биогазовые установки превращают метан и диоксид углерода в энергии, уменьшая парниковых газов от сельскохозяйственной деятельности, а использование органических удобрений предотвращает загрязнение водосборных бассейнов. Фермеры которые перешли на биогаз в качестве источника питания для своих домов не зависят от ископаемого топлива, не рубят для топлива. Это замедляет обезлесение и улучшает качество воздуха.
Таким образом биогазовые установки это немного больше, чем просто мешки для сельских семей. Итон утверждает, что такой подход также пробуждает эмоциональную связь с миром вокруг, и фермеры начинают проникаться культурой повторного использования отходов.
При поддержке различных фондов и государственных учреждений, создателям Biobolsa удалось обеспечить частичное субсидирование для заинтересованных сторон. И это послужило толчком для внедрения установок в самых бедных и депрессивных регионах Латинской Америки. В этом году планируется запустить еще 2 пилотных проекта в Африке.
Biobolsa получил несколько международных наград, как социальное предпринимательство, среди прочих, сеть развития бизнеса Network из Голландии, вручила награду 10000 евро, что послужило мощным толчком в развитии проекта.
«По нашим оценкам, только в Мескике есть 4 миллиона домов, которые потенциально могли бы использовать биогазовые установки», рассказывает Алекс Итон.
Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза принадлежит Дании. Биогаз, производимый в этой стране, занимает до 18% в ее общем энергобалансе. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия (около 10000).
В Италии в настоящее время нет государственной программы развития биогазовых установок, но Итальянская электро-компания обязана покупать электроэнергию, выработанную из биогаза, по цене на 80% выше цены для потребителей. В Австрии до 1997 г. действовали 46 преимущественно фермерского типа биогазовых установок. В 1997 г. было введено в действие 10 установок фермерского типа и 5 крупных. Предполагается увеличить количество биогазовых установок до 150. В Австрии нет национальной программы поддержки строительства биогазовых установок, однако их строительство поддерживают Министерства сельского хозяйства и экологии. Финансовую поддержку оказывают федеральные сельскохозяйственные организации и банки.
В северных районах в целях экономии топлива биогазовые установки используют мезофильный режим, при котором увеличиваются время удержания и рабочий объём реакторов. Примером могут служить конструкции биогазовых установок, разработанных фирмой «AB Enbom» (Финляндия), работающих в условиях Лапландии при температурном режиме ферментации 33°С.
Недостаток европейского пути развития биогазовой энергетики - отсутствие гарантированного снабжения генерирующих объектов отходами, закрепленного на законодательном уровне. В результате после увеличения числа работающих станций и образования дефицита отходов резко возросли издержки на эксплуатацию установок из-за повышения затрат на приобретение отходов или выращивание растительной массы, а также их доставку.
Подавляющее большинство биогазовых станций накапливают не переработанные отходы, что, с одной стороны, ухудшает экологическую обстановку, с другой - ведет к росту издержек на их хранение и транспортировку. Но на территории Евросоюза уже начали действовать поправки к закону об отходах, которые обязывают собственников биогазовых станцийзаниматься переработкой перебродившей массы в удобрения
В Индии, Вьетнаме, Непале и других странах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи. В Индии с 1981 года было установлено 3.8 млн. малых биогазовых установок. В Непале существует программа поддержки развития биогазовой энергетики, благодаря которой в сельской местности к концу 2009 года было создано 200 тысяч малых биогазовых установок.
Китай на сегодняшний день является мировым лидером по внедрению технологий производства биогаза в сельских регионах. Более 40 млн. китайских семей уже установили биогазовые установки в своих домах, и эта цифра растет в год по несколько миллионов. Суммарный выпуск биогаза составляет 10,2 млрд. м3/год, что ставит КНР на первое место в мире по этому показателю. Кроме того, в Китае построено 4000 крупных биогазовых станций, функционирующих на основе отходов животноводческих ферм, а доля сельхозпредприятий, использующих биогазовые технологии, составляет 52%
Китайские власти всерьез рассчитывают на биогаз, как на существенный источник электроэнергии для сельских районов. Так, если к окончанию семилетнего плана суммарная мощность установок когенерации составит 5.5 ГВт, то к 2030 году она должна увеличиться до 30 ГВт, то есть в 6 раз, что позволит полностью обеспечить деревенских жителей электроэнергией и теплом собственного производства.
Но у китайских установок есть существенный минус: себестоимость получаемого продукта. Объем реактора китайской установки обычно составляет не менее пяти кубических метров. Ёще аспект, это высокая стоимость самой установки. Затраты в основном идут на то, чтобы вырыть котлован, произвести большой объем цементных работ, установить металлический купол-газгольдер. Из-за того что железный купол газгольдера подвержен коррозии, данное оборудование рассчитано на работу, на протяжении всего 8 – 10 лет.
Заключение
Современные технологии переработки отходов не стоят на месте и становятся все более эффективными.
Биогазовая станция решает проблему утилизации органических отходов и очистки сточных вод, тем самым минимизирует возможные штрафы за экологические нарушения, связанные с хранением и вывозкой навоза. Использование биогаза дает не только значительное снижение себестоимости продукции, бесперебойное электро- и теплоснабжения собственного производства, но и возможность получения дополнительной прибыли от продажи энергии, тепла и биоудобрений. Использование биоудобрений способствует повышению качества почв и увеличению урожайности. На выходе получается экологически чистая продукция растениеводства и животноводства и уменьшение в целом загрязнения окружающей среды и пахотных земель.
Такое название для описываемой конструкции я выбрал, потому что очень часто в литературе по биогазу такую конструкцию упоминают, как использовавшуюся еще тысячу лет назад в Китае. Конечно, правильнее было бы назвать ее «подземной биогазовой установкой для теплого грунта».
Эта конструкция примечательна тем, что в ней нет никаких движущихся деталей, а сырье движется по ней самотеком. Конструкция состоит из входной трубы, герметичной ямы-реактора, выходной трубы для биогаза, выходной трубы для шлама и буферного накопителя шлама.
К верхнему отверстию входной трубы стекается по канавкам сырье. Обычно применяется жидкий навоз (смесь навоза с мочой), стекающий из расположенного рядом стойла для содержания домашних животных, а также из туалета. Естественно, что высота расположения таких сборников фекалий немного больше высоты расположения горловины приемной трубы, чтобы фекалии свободно стекали в приемную трубу. Входная труба косо опускается вниз под землю, и входит в стенку реактора ниже уровня субстрата в реакторе. Получается гидравлический затвор, который пропускает внутрь реактора свежий субстрат, но не выпускает биогаз. Конечно, часть биогаза, генерирующаяся в толще субстрата точно под входным отверстием в стенке реактора, поднимаясь вверх, попадает в это отверстие, движется дальше по входной трубе и улетучивается в воздух. Но этими потерями можно пренебречь. Выходная труба выходит из противоположной стенки реактора почти от самого его днища и косо поднимается вверх. Наверху она входит снизу в емкость в форме открытого сверху параллелепипеда. Верхние края этой емкости должны быть расположены ниже горловины входной трубы. Из этой емкости должен быть проложен «аварийный» сток в более низкорасположенную лагуну или яму. Реактор в нижней части имеет цилиндрическую форму, а верх реактора выполнен в форме купола-полусферы. Из вершины купола выходит трубка для отвода биогаза.
Стенки труб, реактора и буферного накопителя должны быть укреплены так, чтобы не разрушаться под давлением грунта или субстрата и должны не пропускать сквозь себя субстрат. Верхняя часть купола реактора должна быть выполнена так, чтобы сквозь нее не просачивался биогаз. Раньше это делалось из кирпичей, раствора и специальной штукатурки. Сейчас обычно применяют бетон и полимеры.
Размер (объем) реактора подбирают в соответствии с объемом ежесуточных фекальных стоков. Этот объем также зависит от температурного режима. Если температуры грунта вокруг реактора не опускается ниже 30° C, то внутри реактора будет происходить анаэробное брожение в мезофильном режиме. Длительность цикла такого брожения лежит в пределах двух-четырех недель. Соответственно, объем реактора должен быть больше 14 суточных доз стоков. Если температура в глубине земли составляет 20-25° С, то будет происходить психрофильное брожение. В этом случае объем реактора надо удвоить.
Процесс протекает следующим образом:
Фекальные стоки стекают по входной трубе в реактор. При этом аналогичное количество шлама поднимается со дна реактора и выталкивается в буферную емкость через выходную трубу. В процессе брожения выделяется биогаз и поднимается под свод купола реактора. Если через выходную биогазовую трубу к потребителю поступает меньше газа, чем его вырабатывается, то уровень субстрата в реакторе понижается, а во входной трубе и буферной емкости – повышается. Давление биогаза задается разностью уровней в буферной емкости и в реакторе. Купол реактора при этом условно можно назвать газгольдером. Рабочий объем этого газгольдера будет равен разнице объемов субстрата в реакторе в вернем и нижнем положении, в промежутке между которыми давление биогаза будет лежать в заданных пределах. Обычно для различных газовых горелок и котлов необходимо давление газа 0,013-0,030 атм, или 13-30 см водяного столба. В принципе можно допустить и давление до 0,050 атм, если его выдержит конструкция установки, потому что скорость истекания биогаза можно подрегулировать вентилем или редуктором.
Поскольку плотность субстрата близка к плотности воды, то можно считать, что разница уровней в реакторе и в буферном накопителе должна составлять 13-50 см.
Для того, чтобы давление биогаза внутри реактора не превысило верхнюю границу 0,05 атм, необходимо предусмотреть клапан, который стравит биогаз, если его давление превысит это значение. Как Вы понимаете, тысячу лет назад не было автоматических механических клапанов, калиброванных на заданное давление. Но задача, тем не менее, имеет простое решение. Верхний срез отверстия соединения входной трубы с реактором делается на высоте на 50 см ниже вершины стенок буферной емкости. Тогда, когда давление биогаза растет, уровень субстрата в реакторе понижается, поднимая уровень субстрата в буферной емкости. Излишек субстрата выливается из буферной емкости. Когда уровень субстрата внутри реактора опускается ниже верхнего среза отверстия входной трубы, излишек биогаза выходит наружу через входную трубу.
Для того чтобы избежать возможности попадания субстрата в биогазовую трубу, необходимо, чтобы уровень слива из буферной емкости находился ниже точки выхода биогазовой трубы из реактора, то есть, ниже вершины купола реактора. Поэтому, такие подземные реакторы удобно располагать на склоне, чтобы избежать лишних земляных работ.
При нормальной эксплуатации шлам из буферной емкости ежедневно вычерпываю в объемах, соответствующих объему принятых фекальных стоков. Шлам используют в качестве биоудобрения.
Конструкция эта достаточно простая, не требует дефицитных материалов. Но работать она будет только в теплом климате. Даже если сделать стенки такого реактора в виде термоса, чтобы теплоизолировать их от окружающего грунта, мы не сможем полностью исключить отток тепла в холодное время года. При падении температуры внутри реактора ниже 200C выделение биогаза практически прекратится.
Также у этой конструкции есть недостаток – на дне реактора постепенно скапливается песок, или прочие тяжелые осадки. Поэтому время от времени такой реактор надо вскрывать и чистить. Как Вы сами понимаете, во-первых, это усложняет конструкцию реактора, а во-вторых, сама процедура чистки – весьма грязная и трудоемкая.
Павел Северилов
Актуальность биогазовых установок для дома растет с каждым годом. Все возрастающие цены на электроэнергию и природный газ побуждают людей искать новые источники энергии. Биогаз является эффективной и недорогой заменой традиционных энергоносителей.
Биогаз вырабатывают из отходов органического происхождения, в большом количестве скапливающихся при ведении приусадебного хозяйства, разведении домашних птиц и животных. В качестве сырья применяют навоз крупного и мелкого скота, птичий помет, силос, отходы бойни, прогнившее зерно, жиры, пищевые отходы, выжимку, молочную сыворотку, свекольную ботву, солодовый остаток и пр. Большинство перечисленных видов сырья можно смешивать между собой.
В процессе получения биогаза используется брожение биомассы животного и растительного происхождения в анаэробных (без поступления воздуха) условиях. Органические отходы при таких условиях выделяют смесь газов, в составе которой метан занимает более 50%, углекислый газ - 35%, остальные 15% - азот, сероводород и др. Помимо получения бесплатного горючего процесс переработки отходов позволяет производить в виде побочного продукта высококачественные биоудобрения.
За рубежом домашние биогазовые установки появились уже давно. В Китае их задействовано в сельских хозяйствах более 12 миллионов. Широко распространены биогазовые установки и в Европе. Доля применения биогаза в Швеции и Австрии составляет около 20%.
Обычно в таких установках применяется порционная загрузка. При этом реактор полностью заполняется сырьем, которое в процессе ферментации до конца вырабатывается.
Самодельные биогазовые установки имеют довольно низкий выход биогаза при ферментации сырья, поэтому окупаются обычно только в течение 3-5 лет. Профессиональные биогазовые мини-установки способны окупить затраты через год-полтора.
На эффективность применения биогазовых установок оказывают влияние климатические условия, достаточность количества сырья. Профессиональные установки разрабатываются с учетом этих факторов, поэтому они более экономичны и могут использоваться в разнообразных климатических условиях.
Наиболее популярны установки, состоящие из куполообразного реактора и выгрузочной области. Газ собирается в верхней куполообразной части реактора. После загрузки новой порции отходов получившийся в результате переработки сырья биогумус поступает через специальный канал в выгрузочную (компенсирующую) область. Давление на ферментируемую массу усиливается пропорционально объему полученного газа и постепенно все сильнее выталкивает переработанное сырье в компенсирующую область.
Для эффективного использования подобной установки необходим теплый климат, поэтому в России они не распространены широко. Для холодного климата применяются профессиональные биогазовые установки, построенные по специальной технологии.
Для выработки электричества и тепловой энергии из биогаза применяются когенерационные электростанции. Основное преимущество таких электростанций - использование тепловой энергии, при обычных условиях уходящей в атмосферу с дымовыми газами. Позволяют значительно экономить топливо. Виды когенерационных электростанций: поршневые (более распространенные) и турбинные.
Биогаз является возобновляемым и экологически чистым энергоресурсом, имеющим большие перспективы в условиях удорожания энергоносителей и ухудшения экологической обстановки.
Биогаз - газ, получаемый брожением биомассы. В природных условиях биогаз образуется постоянно. В современной биоэнергетике естественно-природные процессы его образования поставлены человеком под контроль. Производство биогаза осуществляется на биогазовых станциях с помощью специальных установок. Произведенный биогаз состоит из метана (более 50%) и углекислого газа, а также незначительного объема примесей (водорода и сероводорода). После очистки биогаза от С0 2 (biogas upgrading) получается биометан - полный аналог природного газа.
В отличие от солнца и ветра биогаз может, как и природный газ, запасаться и обеспечивать непрерывное производство электроэнергии, т. е. выполнять важную задачу энергоснабжения в периоды пиковых нагрузок электросети.
Биогаз может быть использован для электрической и тепловой генерации, заправки автомобилей (в крупных городах Швеции муниципальный автобусный парк заправляется местным биогазом), может закачиваться (после превращения в биометан) в существующие газовые сети и хранилища.
Зачем нужен биогаз, если есть газ природный и инфраструктура для его доставки?
Во-первых, биогаз производится из биомассы, возобновляемого растительного сырья - его производство и использование оставляет меньший углеродный след.
Во-вторых, при производстве биогаза могут (и должны) использоваться отходы сельскохозяйственного производства, что предотвращает загрязнение окружающей среды и повышает его эффективность.
В последние годы европейская биогазовая индустрия демонстрирует двузначные темпы роста. Производство электроэнергии из биогаза составило в ЕС в 2012 г. 46419 ГВт-ч, в 2013 г. - 52 327 ГВт-ч (для сравнения: такое количество энергии примерно соответствует годовому электропотреблению Португалии). Больше половины европейского производства приходилось на Германию 111 , в которой расположено 8700 биогазовых станций 112 .
Мировым лидером по производству биогаза считается Китай 113 , но здесь отмечается интересный феномен. Подавляющая часть китайского биогаза производится сельскими домашними хозяйствами для собственного потребления - отопления, приготовления пищи и даже, в некоторых случаях, производства электричества. Таких домашних биогазовых станций насчитывается 41 млн 114 , и ожидается, что к 2020 г. их число достигнет 80 млн при активной государственной поддержке.
В производстве биогаза наиболее желательным с точки зрения экологии является использование отходов животноводства и птицеводства. Эти отрасли генерируют большие объемы жидких и твердых отходов, утилизация которых должна предваряться особо тщательной обработкой. В странах со слабым экологическим контролем, к которым относится и Россия, отходы животноводства могут отравлять почву и водоемы. Использование этих отходов для производства биогаза с последующей генерацией тепла и электроэнергии фактически является беспроигрышной стратегией. С одной стороны, в значительной мере снимается проблема загрязнения окружающей среды, с другой стороны, хозяйства и их окружение обеспечиваются «дармовой» энергией.
Однако данный разумный подход к биогазовой энергетике сталкивается, так сказать, с экономической реальностью. Дело в том, что производить биогаз из отходов животноводства дороже, чем из специально выращиваемых «энергетических растений», - необходима более сложная обработка исходного сырья с соответствующими дополнительными капитальными затратами.
С этой экономической реальностью жестко столкнулась Германия. Непродуманная политика стимулирования биогазового бизнеса способствовала не переработке отходов сельского хозяйства, а ориентации биоэнергетики на усиленную культивацию энергетических растений (в первую очередь кукурузы) на сельскохозяйственных землях для последующего производства электроэнергии, привела к массовому строительству биогазовых электростанций даже в природоохранных зонах 115 . Площадь посевов кукурузы, используемой в биоэнергетике, за последнее десятилетие удвоилась, главным образом за счет других культур 116 .
В 2014 г. германская политика в области биогаза подверглась серьезной корректировке. 1 августа вступила в силу новая редакция Закона о возобновляемых источниках энергии (EEG), в соответствии с которой дальнейшее развитие биогазовой энергетики должно основываться на переработке отходов, а не использовании специально выращиваемых энергетических культур. Ужесточение выразилось также в снижении зеленых тарифов и финансовых мерах, ограничивающих строительство крупных биогазовых электростанций. Аналогичные меры рассматриваются в настоящее время и в масштабах Европейского союза.
Таким образом, дальнейшая судьба биогазовой отрасли в Европе во многом выглядит неопределенной. Можно с достаточной долей уверенности предполагать, что сокращения существующих мощностей не будет, но вот темпы дальнейшего расширения предугадать сложно. Впрочем, существующие официальные европейские планы расширения (National Renewable Energy Actions Plans) пока никто не отменял. Они предусматривают объем биогазовой электрической генерации к 2020 г. на уровне 65000 ГВт-ч (среднегодовой прирост 1,85 ГВт-ч) 117 . Для производства такого количества энергии необходимо 28 млн кубометров биогаза (эквивалента природного газа), что составляет 5% европейского потребления природного газа.
При этом следует также учитывать, что такие крупные экономики с развитым сельским хозяйством, как Франция и Испания, имеют сегодня крайне низкую степень распространения биога-зового бизнеса. Так, Франция по итогам 2013 г. уступает в производстве биогаза Италии в четыре раза, Германии - в 14 с лишним раз. Это является фактором, повышающим вероятность достижения заявленных целей роста.
