Использование биогаза для получения электроэнергии в агропромышленных комплексах

Использование биогаза

для получения электроэнергии

в агропромышленных комплексах

B.А. Марков, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.,

C.Н. Девянин, профессор, заведующий кафедрой МГАУ им. В.П. Горячкина, д.т.н., С.П. Шимченко, аспирант МГТУ им. Н.Э. Баумана

Представлена технология получения биогаза из отходов сельскохозяйственного производства. Приведены физико-химические свойства биогаза. Предложена концепция выработки электроэнергии из биогаза. Ключевые слова: дизельный двигатель, дизельное топливо, биогаз, дизель-генераторная установка.

Проблема экономии жидких нефтяных топлив остается одной из самых острых в обеспечении транспорта, промышленности и сельского хозяйства топливно-энергетическими ресурсами. Увеличение потребления жидкого топлива сопровождается истощением освоенных и удобно расположенных нефтяных месторождений, вследствие чего приходится осваивать новые месторождения, расположенные в труднодоступных районах. Это приводит к удорожанию как сырой нефти, так и получаемых из нее нефтепродуктов. Между тем разработано большое количество методов получения альтернативных моторных топлив из органических отходов, не требующих для использования в двигателях никакой химической переработки. Одним из таких перспективных моторных топ-лив является биогаз, основным процессом получения которого является анаэробное брожение органических отходов различной морфологии [1-3].

Биогаз может быть получен из различных сырьевых ресурсов - отходов сельскохозяйственного производства и деревообрабатывающей промышленности, бытовых стоков, индустриальных и бытовых отходов, в частности, твердых бытовых

отходов (ТБО) городских свалок [47]. Но наиболее динамично развивающимся направлением получения биогаза является его генерирование из отходов сельского хозяйства. Об этом, в частности, свидетельствуют данные о производстве биогаза в странах ЕС (рис. 1) [2]. Согласно этим данным, можно отметить, что в европейских странах только за период с 2003 по 2008 г. производство биогаза из растительной массы и навоза сельскохозяйственных животных увеличилось почти в 10 раз.

При этом обширная сырьевая база для производства биогаза обеспечивается сельскохозяйственным

производством. Этот продукт можно получать из навоза различных животных и птиц, а также из отходов растениеводства [5, 8, 9]. Наиболее привлекательным представляется использование для производства биогаза навоза крупного рогатого скота. Это объясняется возможностью комплексного использования отходов сельскохозяйственного производства. Из органической массы (навоз) в биогазовых установках (биореакторы) можно получить биогаз и одновременно ценные органические удобрения, позволяющие заметно повысить урожайность сельскохозяйственных культур (рис. 2) [5].

Рис. 1. Производство биогаза в странах ЕС: 1 - биогаз бытовых отходов; 2 - биогаз сточных вод; 3 - биогаз, полученный из растительной массы и навоза сельскохозяйственных животных

Рис. 2. Типовая схема переработки отходов сельскохозяйственного производства, получения биогаза и удобрений

Наиболее распространенным способом получения биогаза является анаэробное сбраживание биомассы. Под действием особой группы анаэробных бактерий происходит минерализация органических соединений с получением минеральных форм азота, фосфора и калия, наиболее доступных для растений, с полным уничтожением патогенной (болезнетворная) микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, фекальных запахов, нитратов и нитритов [9, 10].

Анаэробное сбраживание органических отходов с получением биогаза и биоудобрений осуществляется в специальных установках, основным элементом которых является биореактор (рис. 3) [11-13]. В реакторе обеспечиваются все необходимые параметры процесса (концентрация реагентов, кислотность реагирующей

смеси и отсутствие кислорода). Реактор имеет тепловую изоляцию, позволяющую поддерживать температурные режимы сбраживания на заданном уровне.

В присутствии атмосферного кислорода углерод биомассы окисляется и превращается в углекислый газ, а при его отсутствии (или недостаточном количестве) - развиваются анаэробные бактерии, что способствует преобразованию углерода биомассы в СН4 и СО2. В реакторе также имеется устройство для постоянного перемешивания сбраживаемой массы. Поступление сырья в реактор регулируется таким образом, чтобы процесс сбраживания протекал равномерно. Во время сбраживания в биомассе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот,

а последние под действием синтроф-ных и метанобразующих бактерий превращаются в метан и углекислоту.

Выход биогаза из органического сырья и конечный его состав в значительной степени зависят от вида и свойств исходного сырья. В качестве примера на рис. 4 приведен состав биогаза, полученного из различного сырья. Согласно рис. 4 следует отметить, что биогаз, получаемый из растительной массы и навоза сельскохозяйственных животных, имеет состав (содержание метана), близкий к составу биогаза, генерируемого из бытовых отходов, мусора и сточных вод.

По рис. 4 необходимо отметить, что основным компонентом биогаза является метан, его содержание в биогазе может достигать 80 % по объему. Содержание другого значимого компонента биогаза - углекислого газа - обычно не превышает 35 %. Остальные компоненты содержатся в незначительных количествах (как правило, не более 1 %). Некоторые физико-химические свойства биогаза в сравнении с нефтяным дизельным топливом и природным газом (метан) приведены в таблице [3, 11, 14,].

Биогаз используется в качестве моторного топлива для транспорта, питания двигателей внутреннего сгорания стационарных установок различного назначения, обогрева зданий и сооружений, а также в качестве бытового газа. Из представленных на рис. 5 данных следует, что уже в настоящее время в Германии значительная доля биогаза используется для выработки электроэнергии и производства тепловой энергии [2].

Необходимо отметить, что на биогаз могут быть конвертированы как бензиновые двигатели с принудительным воспламенением рабочей смеси, так и дизельные. Однако сжигание биогазового топлива

Физико-химические свойства дизельного топлива, биогаза и природного газа

Физико-химические свойства Топливо

ДТ Биогаз Природный газ

Формула состава с H 16,2 28,5

Плотность при 20 °С, кг/ м3 830 1,16* 0,809

Теплота сгорания, МДж/кг 42,5 20,2* 48,4

Цетановое число 45 1* 3

Температура самовоспламенения, °С 250 700* 540

Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 14,3 12* 17,2

Метановое число - 123* 100

* Приведены усредненные значения.

в дизельных двигателях при высоких степенях сжатия и повышенных коэффициентах избытка воздуха более эффективно, чем в двигателях с принудительным воспламенением. Но следует отметить, что на процесс сгорания биогазовой смеси в объеме цилиндра дизельного двигателя влияют высокие температуры ее самовоспламенения (как и рабочей смеси метана и воздуха), составляющие

600...800 °С. Эти значения существенно превышают температуры самовоспламенения рабочей смеси капель нефтяного дизельного топлива с воздухом [15]. Поэтому самовоспламенение биогазовой смеси только за счет теплоты сжатия в камере сгорания дизеля весьма проблематично. Возможно воспламенение рабочей смеси биогаза с воздухом от свечи зажигания или

запальной дозы дизельного топлива. При этом надо учитывать, что для воспламенения биогазового топлива необходимо значительно увеличить энергию искрообразо-вания по сравнению с обычными бензиновыми двигателями, а подведенная с запальным дизельным топливом энергия в 100-10000 раз больше, чем энергия искрообразования

свечи зажигания.

Рис. 4. Выход биогаза из различного сырья и содержание в нем метана: 1 - отходы лесопромышленного комплекса; 2 - отходы растениеводства; 3 - отходы животноводства и птицеводства; 4 - твердые бытовые отходы и канализационные стоки

б

Рис. 5. Структура производства электроэнергии (а) и тепловой энергии (б) из возобновляемых источников энергии в

Германии в 2009 г. а: 1 - энергия ветра 40,4 %; 2 - энергия воды 20,3 %; 3 - солнечная энергия 6,6 %; 4 - твердая биомасса 12,9 %; 5 - жидкая биомасса 1,6 %; 6 - биогаз, полученный из растительной массы и навоза сельскохозяйственных животных 10,7 %; 7 - биогаз сточных вод 1,1 %

8 - биогаз бытовых отходов 1,0 %

9 - биоотходы 5,3%;

б: 1 - твердая биомасса (частный сектор) 52,5 %; 2 - твердая биомасса (промышленные установки) 12,6 %; 3 - твердая биомасса (энергоустановки) 5,3 %; 4 - жидкая биомасса 7,0 %; 5 - биогаз 9,2 %; 6 - биоотходы 4,6 %;

7 - солнечная тепловая энергия 4,3 %;

8 - глубинная геотермальная энергия 0,3 %; 9 - поверхностная геотермальная энергия 4,2 %

щ

Биотоплива

Одним из наиболее перспективных направлений применения биогаза является производство из него электроэнергии. Могут быть рассмотрены четыре варианта организации переработки сельскохозяйственных отходов в биогаз, а затем в электроэнергию:

1. Биогазовая установка с электроагрегатом находится рядом с животноводческим комплексом.

2. Источники органического сырья рассредоточены по территории вокруг биогазовой установки с электроагрегатом.

3. Биогазовые установки с электроагрегатом рассредоточены по территории.

4. Биогазовые установки рассредоточены по территории вокруг электроагрегата.

Второй, третий и четвертый варианты характерны для переработки отходов небольших фермерских хозяйств. В первом варианте расположение биогазового реактора у животноводческого комплекса позволяет обеспечить его достаточным количеством органического сырья для получения биогаза. Животноводческий комплекс крупного рогатого скота должен ежедневно обеспечиваться кормовыми ресурсами.

Для загрузки биогазовой установки производственной мощностью по биогазу 250 м3/сут требуется иметь навоз от стада примерно в 200...220 голов, что потребует ежедневной доставки 12...14 т зеленых кормов, которые должны быть получены со 100.150 га пастбищ. С учетом распределения луговых трав в средней полосе России доставка кормов будет производиться в среднем на расстояние около 10 км, что потребует затрат на перевозку зеленой массы порядка 100.150 т^км ежедневно. Возврат на поля органического удобрения - эф-флюента - также составит порядка

100.150 т^км ежедневно [16]. В результате суммарные энергозатраты на транспортировку составят около 250 т^км ежедневно.

Во втором варианте обеспечение биогазовой установки органическим сырьем потребует его доставки с территории из расчета суточной загрузки 8.9 т навоза крупного рогатого скота при средней протяженности доставки, как и в первом варианте, 10 км. В результате транспортная работа составит 80.90 т^км ежедневно. Возврат эффлюента на поля также составит около 80.90 т^км ежедневно. В результате суммарные энергозатраты на транспортировку составят около 170 т^км ежедневно, что на 80 т^км меньше, чем в первом варианте.

Третий вариант наименее предсказуем, так как производство электрической мощности пойдет в основном на покрытие собственных нужд. Он приведет к большим тепловым потерям, низкому электрическому КПД из-за малой мощности электроагрегатов и их работе не на полной нагрузке. Транспортные расходы могут составить на среднем расстоянии (около 1 км): на транспортировку зеленой массы около 12.14 т^км ежедневно и на транспортировку эффлюента столько же. В результате суммарные энергозатраты на транспортировку составят около 25 т^км ежедневно, что на 220 т^км меньше, чем в первом варианте, и на 140 т^км меньше, чем во втором.

В четвертом варианте транспортные расходы на зеленую массу и эф-флюент будут такими же, как и в третьем, но для работы центрального электроагрегата потребуется доставка от рассредоточенных установок биогаза общим объемом 250 м3/сут на среднее расстояние около 30 км. Газ может доставляться в 25 газовых баллонах общим весом около 2 т, что

потребует энергозатраты на сбор и доставку газа около 60 т^км ежедневно. С учетом расхода энергии на доставку зеленой массы затраты будут около 90 т^км ежедневно. В результате по четвертому варианту при такой же эффективности получения электроэнергии, как в первом и втором вариантах, суммарные ежедневные затраты на транспортные работы будут ниже соответственно на 160 и на 80 т^км.

Из рассмотренных четырех вариантов организации переработки сельскохозяйственных отходов четвертый вариант получается наиболее подходящим. В соответствии с проведенным анализом рекомендуется следующая методика выработки электроэнергии из биогаза при использовании такой установки в крупном агропромышленном комплексе, состоящем из нескольких сельскохозяйственных объектов (животноводческие фермы и т.д.). Наиболее целесообразно получать биогаз непосредственно на этих объектах. Но поскольку на каждой ферме выход биогаза сравнительно невелик, предлагается использовать несколько биогазовых установок с относительно небольшим объемом генерируемого продукта. Для сбора этого биогаза предпочтительно использовать мобильную компрессорную установку, закачивающую газ в баллоны под высоким давлением (20.25 МПа). Эта мобильная компрессорная установка осуществляет сбор биогаза от локальных установок и доставляет его в ком-примированном виде (в баллонах) к стационарной дизель-генераторной установке, включающей дизельный двигатель, работающий на биогазе, и электрогенератор, вырабатывающий переменный электрический ток.

Несомненными преимуществами такой концепции является возможность бесперебойной выработки

Рис. 6. Схема автономного энергетического комплекса для выработки электроэнергии из биогаза

электроэнергии из биогаза на установке, содержащей сравнительно мощный первичный дизельный двигатель, отличающийся высокой топливной экономичностью (двигатели небольшой мощности имеют невысокую топливную экономичность). При этом в качестве первичного двигателя для электрогенератора желательно использовать дизельный двигатель, работающий на биогазе с запальной дозой дизельного топлива. Другое преимущество предлагаемой концепции выработки биогаза - возможность работы стационарной дизель-генераторной установки на промышленную электрическую сеть, что сложно осуществить в мобильных дизель-генераторных установках.

Таким образом, предлагаемый автономный энергетический комплекс для выработки электроэнергии из биогаза состоит из следующих автономных элементов (рис. 6). Локальные биогазовые установки, генерирующие биогаз, размещаются непосредственно у животноводческих ферм.

При проведении анализа целесообразности использования биогаза как альтернативного моторного топлива учитывалась имеющаяся сырьевая база для его производства. По имеющимся статистическим данным, в 2012 г. поголовье крупного

рогатого скота в России составило 21,3 млн голов (плюс еще 18, 8 млн голов свиней). При этом ежедневный выход бесподстилочного навоза (без соломы) от одной коровы составляет от 50 до 60 кг. Таким образом, годовой ресурс навоза крупного рогатого скота в России можно оценить на уровне от 350 до 400 млн т (плюс еще от 150 до 200 млн т навоза свиней).

Из одной тонны навоза крупного рогатого скота можно получить от 40 до 65 м3 биогаза. Следовательно, потенциальное ежегодное

производство биогаза из этого вида сырья может составить около 30 млрд м3 (около 20 млрд м3 - из навоза крупного рогатого скота, около 10 млрд м3 - из навоза свиней). С учетом того, что теплотворная способность одного кубометра биогаза составляет от 20 до 25 МДж/м3 (в зависимости от содержания метана), сгорание такого количества биогаза эквивалентно сгоранию 20 млрд л бензина, 50 млн т дров или использованию 200 млрд кВт-ч электроэнергии. Для сравнения: 20 млрд л бензина - это около 15 млн т бензина, а в настоящее время в России ежегодно потребляется около 35 млн т бензина, около 55 млн т дизельного топлива и около 10 млн т керосина [17]. Конечно, представленные энергетические характеристики являются практически труднодостижимыми, но даже если удастся получить лишь несколько процентов такого энергетического потенциала, то это в значительной степени смягчит энергетические проблемы, стоящие перед Россией.

Рис. 7. Развитие биогазовой отрасли в Германии: 1 - установки мощностью более 500 кВт; 2 - установки мощностью от 70 до 500 кВт; 3 - установки мощностью до 70 кВт; 4 - установленная мощность

<Ш

Биотоплива

В целом, потенциал использования биогаза можно оценить следующими данными. В России агроком-плекс ежегодно производит 773 млн т отходов, из которых можно получить 66 млрд м3 биогаза, или около 110 млрд кВт-ч электроэнергии. Общая потребность России в биогазовых заводах оценивается в 20 тыс. предприятий. Для сравнения - потенциал биогазовой индустрии Германии к 2030 г. оценивается в 100 млрд кВт-ч электроэнергии, что будет составлять около 10 % потребляемой страной энергии. При этом в настоящее время Германия является лидером по производству биогаза - число эксплуатируемых там биогазовых установок превысило 5 тыс., а число мощных установок (мощностью более 500 кВт) приблизилось к тысяче (рис. 7) [3].

В заключение необходимо отметить, что использование биогазов, получаемых из органической массы различного происхождения, как дополнительных возобновляемых источников энергии весьма перспективно. Применение биогазовых технологий не только обеспечивает экономию традиционных ископаемых топлив, но и способствует решению экологических задач, связанных с очисткой и обезвреживанием промышленных, городских и сельскохозяйственных отходов. Большие запасы потенциального альтернативного топлива, а также его энергетическая ценность делают возможным использование биогаза в качестве моторного топлива в двигателях внутреннего сгорания, являющихся наиболее распространенным типом тепловых двигателей.

Статья публикуется при поддержке Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».

Литература

1. Альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания / А.А. Александров, И.А. Архаров, В.А. Марков и др. Под ред. А.А. Александрова, В.А. Маркова. - М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2012. - 791 с.

2. Инновационное развитие альтернативной энергетики: Часть 1 / В.Ф. Фе-доренко, Н.Т. Сорокин, Д.С. Буклагин и др. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2010.

- 348 с.

3. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: Теория и практика: перевод с немецкого. - М.: Колос, 1982. -140 с.

4. Биогаз как альтернативное топливо / А.Н. Захарченко, П.И. Гаджиев, А.А. Захарченко и др. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2010. - № 9.

- С. 31-33.

5. Суслов Д.Ю., Кущев Л.А. Биогазовые технологии - современный способ переработки органических отходов // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2010. - № 5. - С. 44-46.

6. Захарченко А.Н., Захарченко А.А., Сатьянов С.В. Источники получения биогаза // Сельский механизатор. - 2011. - № 2. - С. 30-31.

7. Гонопольский А.М., Мурашев В.Е., Кушнир К.Я. Выбор характеристик тепловой машины для сжигания биогаза на полигонах ТБО // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2008. - № 7. - С. 36-38.

8. Девянин С., Чумаков В., Белаль И. Газ и удобрение из биоотходов // Сельский механизатор. - 2007. - № 9. - С. 12-13.

9. Кириллов Н.Г. Альтернативные виды моторного топлива из биосырья для сельскохозяйственной автотракторной техники // Достижения науки и техники в АПК. - 2002. - № 2. - С. 11-15.

10. Рециркуляционное анаэробное сбраживание отходов сельского хозяйства с выработкой биогаза / Т.Я. Андрюхин, Н.К. Свириденко, Ю.В. Савельев и др. // Биотехнология. - 1989. - Т. 5. - № 2. - С. 219-225.

11. Использование биогаза в качестве топлива для дизелей / С.Н. Девянин, В.Л. Чумаков, В.А. Марков и др. // Грузовик. - 2011. - № 11. - С. 32-43.

12. Девянин С.Н., Чумаков В.Л., Марков В.А. Биогаз - альтернативное топливо для дизелей // Транспорт на альтернативном топливе. - 2012. - № 2.

- С. 68-73.

13. Кущев Л.А., Суслов Д.Ю. Интенсивная технология переработки органических отходов в биореакторах барботажного типа // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2011. - № 1. - С. 40-42.

14. Гайворонский А.И., Марков В.А., Илатовский Ю.В. Использование природного газа и других альтернативных топлив в дизельных двигателях.

- М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2007. - 480 с.

15. Шимченко С.П., Эфрос В.В., Чернин С.Я. Дизельный двигатель и биогаз, научный подход эффективного взаимодействия // Автогазозаправочный комплекс + альтернативное топливо. - 2012. - № 7. - С. 37-41.

16. Попов Л.А. Эксплуатация машинно-тракторного парка в агропромышленном комплексе. - Сыктывкар, 2004. - 152 с.

17. Использование растительных масел и топлив на их основе в дизельных двигателях / В.А. Марков, С.Н. Девянин, В.Г. Семенов и др. - М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2011. - 536 с.