Биогаз получают в результате брожения биомассы. Для его изготовления используют навоз крупного рогатого скота, птичий помет, отходы с некоторых видов производств. Специальное оборудование позволяет использовать его для получения электроэнергии, тепла, пара и пр.

Промышленная революция, начавшаяся в Европе триста лет назад привела к революционным изменениям взаимоотношения Человека и Природы. Главными причинами этого явились все большая добыча и использование углеводородного топлива, и увеличение количества отходов мировой экономики. Поэтому в последние десятилетия стали ускоренными темпами развиваться ресурсосберегающие технологии и альтернативная энергетика. Биогаз в ряду этих инноваций занимает не последнее место.

С газом, выходящим над поверхностью болот и со дна заросших водоемов человек знаком с доисторических времен. Получение и практическое использование этого газа началось гораздо позже.

Биогаз - это результат деятельности анаэробных бактерий, перерабатывающих органические соединения животного и растительного происхождения, без доступа воздуха. По-научному этот процесс называется метаногенез или метановое брожение, в результате которого выделяется метан. Не путать с аналогичным процессом с участием аэробных бактерий, называемым компостированием, с выделением углекислого газа, теплоты и получением биокомпоста в качестве удобрения.

Биотехнология

Процесс производства биологического метана принципиально очень прост. Органические отходы, разбавленные водой до необходимой консистенции, помещаются в герметичную емкость-биореактор. Здесь метанообразующие бактерии, поедая их, выделяют метан, углекислый газ и сероводород. Газ собирается в верхней части емкости и через фильтры отводится для практической реализации.

Для обеспечения максимальной скорости выделения метана должен соблюдаться оптимальный температурный режим в диапазоне 30-45 °С. В этом случае основная масса загруженного «топлива» перерабатывается за 12-15 дней. Снижение температуры до 15 °С увеличивает время работы биореактора на одной загрузке в 3-4 раза. Этим объясняется ограниченный интерес к таким инновациям в северных регионах, так как существенную часть до 60% получаемого газа надо сжигать для подогрева рабочего процесса.

Сопутствующим результатом биогазовой технологии является получение эффлюента-удобрения с высоким содержанием легко усваиваемых растениями форм азота, фосфора, калия и других микроэлементов. По экономическому эффекту этот продукт ничем не уступает энергетической составляющей биогаза, так как позволяет увеличивать урожайность различных сельскохозяйственных культур на 20-30%.

Необходимое сырье

В качестве сырья для биореактора используются отходы животноводства-навоз крупного рогатого скота (КРС), свиной навоз и птичий помет. Пригодны отходы молочных и рыбоперерабатывающих заводов, мукомольного, пивного и винного производства. Кроме отходов газ можно получать из специально выращиваемых зеленых культур-силосной кукурузы, свеклы и картофеля вместе с ботвой.

Можно использовать твердые бытовые отходы (ТБО). В этом случае должно выполняться условие-сортировка мусора с целью отделения органических составляющих от минеральных. Организация раздельного сбора мусора может дать новый толчок развитию инновационной биотехнологии.

Перспективным направлением является использование канализационных стоков населенных пунктов, что позволяет решить экологическую проблему больших городов с полями фильтрации, делающими безжизненными тысячи гектар полезной площади.

Качество газа

Широкий спектр биологического сырья влияет на качество, получаемого из него биогаза. Оно характеризуется процентом выхода метана и количеством газа, выделяемого из единицы объема сухого вещества отходов.

Доля метана в газе для различных отходов колеблется в пределах 40-70%, остальное углекислый газ, 2-3% сероводорода и около 1% водорода и остальных газов. Выход биогаза от 250 л/кг сухого вещества для навоза и канализационных стоков до 600 л/кг для кукурузного силоса и отходов сахарного производства.

Содержание сероводорода ограничивает применение газа в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. В двигателе он превращается в серную кислоту и приводит к повышенному износу деталей. Во избежание этого ставят фильтры, что значительно повышает себестоимость биогаза. Технология очистки совершенствуется в направлении применения керамических молекулярных мембран, пропускающих метан и задерживающих все остальное, и водяного обогащения газа за счет разности растворимости в воде углекислого газа и метана.

Область применения

Биогазовые технологии давно уже признаны и широко применяются в мировой практике. По данным Европейской Ассоциации Биогаза (ЕВА) в 2018 году в Европе работают 18200 биогазовых установок с общей мощностью 11000 МВт и выработано с их помощью 63500 ГВт*час электроэнергии. Лидерами производства являются Германия, Дания, Нидерланды и Швеция. При этом сектор производства чистого метана вырос до 660 заводов, производящих 2,28 млн. м³ газа.

Подробнее о том, как биогаз используется в Германии рассказывает местный фермер на канале Agro Import:

Себестоимость биогаза в пересчете на метан зависит от сырья. По данным Международного Агентства Возобновляемых Источников Энергии (IRENA) для ориентированных на навоз установок она составляет 220-400 $/ тыс. м³, для ориентированных на промышленные отходы 110-300 $/ тыс. м³. Средняя цена газа, проданного на экспорт Газпромом в 2019 году-240 $/ тыс. м³ при себестоимости около 20 $/ тыс. м³. Поэтому для того, чтобы сделать биогаз конкурентоспособным, необходимо снижать себестоимость. 

Многие фирмы стали выпускать оборудование для биогаза различной мощности. Крупные промышленные установки по капитальным затратам на строительство, составляющим около 2000 $ за 1 кВт мощности, находятся на уровне тепловых электростанций. При их строительстве ключевым вопросом становится бесперебойная поставка отходов.

Большой популярностью в странах с теплым климатом стали пользоваться бытовые газовые системы, производство которых наладил Китай. Фирма Puxin выпускает ряд таких мини- заводов. Например, модель PX-ABS представляет из себя пластмассовый биореактор объемом 3,4 м³ в стальной раме. Ежедневная загрузка коровьего навоза-60 кг, либо пищевых отходов-25 кг, либо очистки овощей 65 кг.

Расход газа не менее 26 л/мин. Установлен газовый фильтр и насос для периодического перемешивания отходов. Стоит такая установка 1000 $ и вполне доступна для маленькой фермы.

Заключение

Несмотря на то, что себестоимость биогаза намного выше природного газа, надо учитывать, что на выходе этого технологического процесса получаются высокоэффективные удобрения. Их реализация существенно снижает затраты в зависимости от качества сырья.

В тему: Производство воды из воздуха.

Развитие технологий получения газа обладает большим потенциалом одновременного решения проблем альтернативной энергетики и экологии с повышением урожайности сельскохозяйственных культур. Они должны быть интегрированы в современные проекты крупных животноводческих ферм, канализационных систем населенных пунктов и мусороперерабатывающих заводов.