Биогаз из биомасс
- среда, 23 июля 2014 г. в 03:11:10
http://habrahabr.ru/post/226953/
Сегодня я расскажу о том, как в течение четырех лет мы в Томске «погружались» в биогазовую тему. В прямом и переносном смысле. Что сделано и какие дальнейшие перспективы такой технологии предлагаю обсудить совместно.
Внимание! Пост содержит материалы, которые могут быть не приятны впечатлительным людям!
Процесс переработки биомассы в биогаз [1] заключается в том, чтобы поместить биологические отходы (навоз, стоки очистных сооружений, пивную барду и т.п.) в ёмкости, которые называются ферментерами. Такая емкость должна быть плотно закрыта, чтобы обеспечить безкислородное брожение отходов, которые время от времени необходимо перемешивать. Температура процесса должна быть 35-55 гр.Ц. Спустя несколько недель из ферментеров начнет выделяться горючий газ — смесь метана и углекислого газа с небольшими примесями сероводорода. Этот газ называется биогаз. Концентрация метана в нем 50-60%. Если биогаз очистить от примесей и CO2 — получим биометан. Полный аналог природного газа. Процесс получения биогаза имеет свои особенности, но в целом технология достаточно простая. Так нам казалось на первый взгляд, но дьявол затаился в деталях…
Оказывается не все сырье сразу можно использовать для переработки. Куриный помет и свиные стоки очень токсичны, поэтому требуется добавления буферных веществ, таких как силос, свежая трава или коровий навоз. Сырье не должно содержать существенных примесей тяжелых металлов, химических веществ, ПАВов.
На реальных производствах активно используют антибиотики, которые явно не афишируются, но они применяются в огромном количестве. Моющие и дезинфицирующие вещества тоже способны сорвать процесс синтеза биогаза. Если совсем не использовать дезсредства — возникает плесень (фото). К дополнительным трудностям можно отнести несовершенные системы навозоудаления. В сырье постоянно встречаются гайки, гвозди, проволока и даже кирпичи. Все это способно запросто угробить фекальные насосы, мешалки или забить трубопроводы. Биогазовый процесс не любит сезонных колебаний кормления животных. Также требуется постоянный контроль режимов работы станции и контроль еще множества факторов. Ну и, конечно, русское авось. Фактор исторический, прогнозу не подлежащий. Также в России достаточно холодный климат для такой технологии. Особенно за Уралом и в Сибири. Но это еще не все проблемы…
Самое слабое место в биогазовом процессе — низкая скорость переработки биомассы и качество получаемого биогаза. Процесс на самом деле неустойчивый и капризный. Из-за низкой скорости переработки требуются огромные ферментеры. Это приводит к существенным капитальным затратам на строительство станций по переработке отходов и, как следствие, такие проекты долго окупаются и требуют государственных дотаций. По пути господдержки производителей биогаза пошли все ведущие страны этой отрасли, такие, как Германия и большинство европейских стран. Форма такой поддержки реализована в «зеленом» тарифе — т.е. покупке электрической и тепловой энергии по завышенным ценам. Этот важный механизм государственной поддержки стимулировал производителей на первоначальном этапе, но позднее привел к стагнации отрасли с технической точки зрения, так как фирмы производители биогазового оборудования не особо заботились о качестве и новых технологиях. И так все покупали. Но времена меняются. Кризис отрасли будет огромен, как только меры господдержки будут свернуты, о чем уже заявили многие европейские страны, что привело к появлению множества судебных исков инвесторов [2]. Поэтому в ближайшее время я ожидаю бум предложений по продаже устаревших биогазовых технологий в Россию, где эта отрасль развита слабо, а государственные дотации будут в нее огромны. Это очень опасная тенденция, которую нельзя допустить. Рынок биогаза в России может остаться за российскими компаниями, но эти компании должны поддержать научные разработки с целью получить опережающий технический задел в биогазовой технологии. И это, в первую очередь, связано со значительным ускорением биогазового процесса. Также в России должна быть климатически адаптированная технология, которую можно использовать вплоть до Сибири.
Чтобы действительно иметь существенные конкурентные преимущества над существующими европейскими технологиями в России необходимо создать биогазовую технологию, которая
1. На 50% увеличит скорость переработки биомассы в биогаз
2. Минимум на 15% увеличит концентрацию метана в биогазе непосредственно в ферментере вне зависимости от вида и качества сырья по сравнению с классическими технологиями
3. Как минимум не приведет к увеличению стоимости, а как максимум сократит капитальные затраты при масштабировании технологии до промышленного масштаба
4. Технология должна быть устойчива к климатическим особенностям вплоть до Сибирского региона
Это те минимальные требования, которые позволят снизить риски инвесторов и повысить конкурентоспособность и экономическую эффективность промышленных биогазовых объектов.
При этом технология должна быть интегрирована в новые проекты строительства животноводческих комплексов, так как внедрение в уже существующие по нашему мнению совершенно бесперспективно. Это, в первую очередь, связано с несовершенной системой навозоудаления, отсутствием технической инфраструктуры и специалистов соответствующего уровня. И, конечно, требуются серьезные научные исследования в биогазовых технологиях.
В России существуют ряд исследовательских групп, работающих в направлении улучшения биогазовых технологий и адаптации их к российским условиям. Такую деятельность ведут, в частности, специалисты Белгородского института альтернативной энергетики [3]. Это, пожалуй, наиболее удачный пример подхода к работе по решению проблем в области возобновляемой энергетики (ВИЭ). Однако, таких примеров и научных групп должно быть больше и они должны быть объединены в некое научное сообщество, которое задает стандарты и предлагает передовые технологии с учетом мирового опыта и отечественных разработок. При этом эффективную биогазовую технологию должны сопровождать технологии
1. Пробоподготовки сырья (системы перемещивания, ультразвукового обеззараживания, стерилизации и т.п.)
2. Контролинга процесса (промышленные контроллеры, адаптированные к таким задачам, СКАДА системы и т.п.)
3. Системам и технологиям контроля состава биогаза (современные газоанализаторы, сенсоры, датчики)
4. Системы и технологии утилизации низкокалорийного биогаза (эффективные газовые котлы, бойлеры, генераторы электричества)
5. Системы экологического мониторинга
6. Системы очистки биогаза до биометана
7. Исследования и технологии использования биогазового удобрения для сельского хозяйства
список можно продолжать...
Очень перспективными на наш взгляд для российских условий является создание гибридных подходов, т.е. проектов, содержащих не только биогазовые реакторы, но и ветросолнечные системы и(или) установки отнимающие часть тепла земли (тепловые насосы). Такой подход требует создания дополнительных технологий по контролю солнечной инсоляции, ветровых характеристик и специализированного программного обеспечения. Таким образом, возобновляемая энергетика вполне способна стать драйвером многих отраслей экономики и бизнеса, ведь в России практически нет технологий, сопровождающих эту отрасль. При этом рынок ВИЭ в России огромен. Доказательством этому является пример оценки потенциала ВИЭ, о котором я писал в своей последней статье. При этом реальный масштаб потенциала этого рынка еще не оценен, что также является одной из интересных задач. Важным является подготовка специалистов биогазовой отрасли, технологов, инженеров в ВУЗах и профессиональных лицеях и колледжахПТУ. На удивление проблематику ВИЭ начали обсуждать на высоком государственном уровне. Тенденция складывается очень благоприятная [4].
В течение четырех последних лет мы ведем исследования биогазовых технологий с целью получения скоростной технологии переработки биомассы в биогаз. При этом неожиданно быстро нами были получены очень приличные результаты, которые были высоко оценены независимыми немецкими экспертами из научного сообщества Fraunhofer. Но это, возможно, тема для будущих постов, а сейчас я приглашаю вас в нашу лабораторию на 5-минутную экскурсию (видео не очень, экономим трафик))).
Не смотря на кажущуюся простоту установок в нашей лаборатории, которые сделаны своими руками из подручных материалов, на них были сделаны сотни экспериментов по исследованию биогазовых процессов. Фактические же данные по микробиологии, концентрации газов, контролингу, логгированию были получены на самом современном оборудовании, к примеру, с использованием СКР-газоанализа. Мы готовы открыто делиться нашими результатами и надеемся, что данный уникальный опыт будет полезен профильным специалистам и экспертам.
Также хочу поделиться коллекцией статей, книг, аналитики, которая накопилась за эти годы. В основном на английском архив 100 МБ
Во-первых в России не везде так уж и холодно. В большинстве южных областей европейской части России биогазовая технология будет устойчива. При этом мы также считаем, что биогазовые станции возможно строить и в сибирских условиях, но с использованием активационных биогазовых подходов, современных утеплительных материалов, добавок в исходное сырье региональных энергетических культур, к примеру, для Томской области клеверного силоса, который отлично взращивается даже в северных районах области. Также такие объекты могут быть в гибридном исполнении и иметь резервный источник тепла на случай крайне сильных морозов. Да, простые твердотоплевные котлы на дровах или угле на всякий случай. Ничего зазорного в этом нет, к тому же пик холодов и аномалии в погоде должны сопровождаться переходом установок в режим сбережения энергии системами контролинга, которые должны быть связаны с системами оперативных метеонаблюдений. БОльшая проблема (на наш взгляд) утилизировать биогаз летом, когда тепла не надо, как зимой, а газа огромное количество. Здесь также имеется простор для развития технологий, в частности, производства «холода» летом для хранения сельскохозяйственной продукции, замораживания ягод, грибов, дикоросов и т.д. Или наоборот — наладить бизнес по варке полуфабрикатов, выпечке хлеба, сушке леса и так далее. Простор для бизнес-размышлений огромен.
Используемые ссылки
Сегодня я расскажу о том, как в течение четырех лет мы в Томске «погружались» в биогазовую тему. В прямом и переносном смысле. Что сделано и какие дальнейшие перспективы такой технологии предлагаю обсудить совместно. Внимание! Пост содержит материалы, которые могут быть не приятны впечатлительным людям!
Что такое биогаз?
Процесс переработки биомассы в биогаз [1] заключается в том, чтобы поместить биологические отходы (навоз, стоки очистных сооружений, пивную барду и т.п.) в ёмкости, которые называются ферментерами. Такая емкость должна быть плотно закрыта, чтобы обеспечить безкислородное брожение отходов, которые время от времени необходимо перемешивать. Температура процесса должна быть 35-55 гр.Ц. Спустя несколько недель из ферментеров начнет выделяться горючий газ — смесь метана и углекислого газа с небольшими примесями сероводорода. Этот газ называется биогаз. Концентрация метана в нем 50-60%. Если биогаз очистить от примесей и CO2 — получим биометан. Полный аналог природного газа. Процесс получения биогаза имеет свои особенности, но в целом технология достаточно простая. Так нам казалось на первый взгляд, но дьявол затаился в деталях…
Сырье для биогазового процесса
Оказывается не все сырье сразу можно использовать для переработки. Куриный помет и свиные стоки очень токсичны, поэтому требуется добавления буферных веществ, таких как силос, свежая трава или коровий навоз. Сырье не должно содержать существенных примесей тяжелых металлов, химических веществ, ПАВов.
На реальных производствах активно используют антибиотики, которые явно не афишируются, но они применяются в огромном количестве. Моющие и дезинфицирующие вещества тоже способны сорвать процесс синтеза биогаза. Если совсем не использовать дезсредства — возникает плесень (фото). К дополнительным трудностям можно отнести несовершенные системы навозоудаления. В сырье постоянно встречаются гайки, гвозди, проволока и даже кирпичи. Все это способно запросто угробить фекальные насосы, мешалки или забить трубопроводы. Биогазовый процесс не любит сезонных колебаний кормления животных. Также требуется постоянный контроль режимов работы станции и контроль еще множества факторов. Ну и, конечно, русское авось. Фактор исторический, прогнозу не подлежащий. Также в России достаточно холодный климат для такой технологии. Особенно за Уралом и в Сибири. Но это еще не все проблемы…Это впечатлительным людям читать не рекомендую
Зачем это все нужно? За все время работы над этим проектом этот вопрос мне задали сотни людей. Действительно, биогазовые технологии очень дороги, рентабельность крайне низкая, отсутствуют специалисты и добротные технологии. Все это, казалось бы, так. Но биогазовые технологии я бы не стал позиционировать как энергетические. Главный их козырь — экологическая переработка отходов с получением биоудобрений и сжигание биогаза для выработки тепла. Мы холодная страна, поэтому тепло всегда будет актуально. Сейчас наша группа ориентирована именно в эти направления. А проблема переработки отходов и экологическая ситуация вокруг крупных животноводческих комплексов в России просто катастрофическая. Небольшая справка. В Томской области (которая не является аграрной, по сравнению с тем же Алтайским краем) ежегодно выбрасывается порядка 2,6 млн. тонн отходов. 
То есть примерно 5,6 тыс. тонн в сутки или 120 железнодорожных вагонов. В большинстве случаев это, так называемые, не управляемые отходы, которые заливаются в лагуны и складываются в бурты, производя нестерпимую вонь в радиусе десятков километров. Никто особо не вывозит навоз и слабо заботиться о животных. Иногда коровы стоят по брюхо в собственной фекальной жиже неделями. Я человек хоть и не сильно впечатлительный, но увидев подобное был просто в шоке. Если за дойными коровами хоть какой-то пригляд, то отбраковка скота и слабые животные стоят месяцами в надежде быть скорей забитыми на колбасу, чтобы прекратить собственные мучения. У некоторых животных сгнивают ноги до костей. Такие фото я не стал вставлять в пост. Настоятельно отговорили коллеги. Конечно, есть и образцовые хозяйства, но их крайне мало.
То есть примерно 5,6 тыс. тонн в сутки или 120 железнодорожных вагонов. В большинстве случаев это, так называемые, не управляемые отходы, которые заливаются в лагуны и складываются в бурты, производя нестерпимую вонь в радиусе десятков километров. Никто особо не вывозит навоз и слабо заботиться о животных. Иногда коровы стоят по брюхо в собственной фекальной жиже неделями. Я человек хоть и не сильно впечатлительный, но увидев подобное был просто в шоке. Если за дойными коровами хоть какой-то пригляд, то отбраковка скота и слабые животные стоят месяцами в надежде быть скорей забитыми на колбасу, чтобы прекратить собственные мучения. У некоторых животных сгнивают ноги до костей. Такие фото я не стал вставлять в пост. Настоятельно отговорили коллеги. Конечно, есть и образцовые хозяйства, но их крайне мало. Слабые места биогазовой технологии
Самое слабое место в биогазовом процессе — низкая скорость переработки биомассы и качество получаемого биогаза. Процесс на самом деле неустойчивый и капризный. Из-за низкой скорости переработки требуются огромные ферментеры. Это приводит к существенным капитальным затратам на строительство станций по переработке отходов и, как следствие, такие проекты долго окупаются и требуют государственных дотаций. По пути господдержки производителей биогаза пошли все ведущие страны этой отрасли, такие, как Германия и большинство европейских стран. Форма такой поддержки реализована в «зеленом» тарифе — т.е. покупке электрической и тепловой энергии по завышенным ценам. Этот важный механизм государственной поддержки стимулировал производителей на первоначальном этапе, но позднее привел к стагнации отрасли с технической точки зрения, так как фирмы производители биогазового оборудования не особо заботились о качестве и новых технологиях. И так все покупали. Но времена меняются. Кризис отрасли будет огромен, как только меры господдержки будут свернуты, о чем уже заявили многие европейские страны, что привело к появлению множества судебных исков инвесторов [2]. Поэтому в ближайшее время я ожидаю бум предложений по продаже устаревших биогазовых технологий в Россию, где эта отрасль развита слабо, а государственные дотации будут в нее огромны. Это очень опасная тенденция, которую нельзя допустить. Рынок биогаза в России может остаться за российскими компаниями, но эти компании должны поддержать научные разработки с целью получить опережающий технический задел в биогазовой технологии. И это, в первую очередь, связано со значительным ускорением биогазового процесса. Также в России должна быть климатически адаптированная технология, которую можно использовать вплоть до Сибири.
Изобретаем велосипед заново...
Чтобы действительно иметь существенные конкурентные преимущества над существующими европейскими технологиями в России необходимо создать биогазовую технологию, которая
1. На 50% увеличит скорость переработки биомассы в биогаз
2. Минимум на 15% увеличит концентрацию метана в биогазе непосредственно в ферментере вне зависимости от вида и качества сырья по сравнению с классическими технологиями
3. Как минимум не приведет к увеличению стоимости, а как максимум сократит капитальные затраты при масштабировании технологии до промышленного масштаба
4. Технология должна быть устойчива к климатическим особенностям вплоть до Сибирского региона
Это те минимальные требования, которые позволят снизить риски инвесторов и повысить конкурентоспособность и экономическую эффективность промышленных биогазовых объектов.
Научный подход к проблеме
В России существуют ряд исследовательских групп, работающих в направлении улучшения биогазовых технологий и адаптации их к российским условиям. Такую деятельность ведут, в частности, специалисты Белгородского института альтернативной энергетики [3]. Это, пожалуй, наиболее удачный пример подхода к работе по решению проблем в области возобновляемой энергетики (ВИЭ). Однако, таких примеров и научных групп должно быть больше и они должны быть объединены в некое научное сообщество, которое задает стандарты и предлагает передовые технологии с учетом мирового опыта и отечественных разработок. При этом эффективную биогазовую технологию должны сопровождать технологии
1. Пробоподготовки сырья (системы перемещивания, ультразвукового обеззараживания, стерилизации и т.п.)
2. Контролинга процесса (промышленные контроллеры, адаптированные к таким задачам, СКАДА системы и т.п.)
3. Системам и технологиям контроля состава биогаза (современные газоанализаторы, сенсоры, датчики)
4. Системы и технологии утилизации низкокалорийного биогаза (эффективные газовые котлы, бойлеры, генераторы электричества)
5. Системы экологического мониторинга
6. Системы очистки биогаза до биометана
7. Исследования и технологии использования биогазового удобрения для сельского хозяйства
список можно продолжать...
Очень перспективными на наш взгляд для российских условий является создание гибридных подходов, т.е. проектов, содержащих не только биогазовые реакторы, но и ветросолнечные системы и(или) установки отнимающие часть тепла земли (тепловые насосы). Такой подход требует создания дополнительных технологий по контролю солнечной инсоляции, ветровых характеристик и специализированного программного обеспечения. Таким образом, возобновляемая энергетика вполне способна стать драйвером многих отраслей экономики и бизнеса, ведь в России практически нет технологий, сопровождающих эту отрасль. При этом рынок ВИЭ в России огромен. Доказательством этому является пример оценки потенциала ВИЭ, о котором я писал в своей последней статье. При этом реальный масштаб потенциала этого рынка еще не оценен, что также является одной из интересных задач. Важным является подготовка специалистов биогазовой отрасли, технологов, инженеров в ВУЗах и профессиональных лицеях и колледжах
Наш скромный вклад...
В течение четырех последних лет мы ведем исследования биогазовых технологий с целью получения скоростной технологии переработки биомассы в биогаз. При этом неожиданно быстро нами были получены очень приличные результаты, которые были высоко оценены независимыми немецкими экспертами из научного сообщества Fraunhofer. Но это, возможно, тема для будущих постов, а сейчас я приглашаю вас в нашу лабораторию на 5-минутную экскурсию (видео не очень, экономим трафик))).
Не смотря на кажущуюся простоту установок в нашей лаборатории, которые сделаны своими руками из подручных материалов, на них были сделаны сотни экспериментов по исследованию биогазовых процессов. Фактические же данные по микробиологии, концентрации газов, контролингу, логгированию были получены на самом современном оборудовании, к примеру, с использованием СКР-газоанализа. Мы готовы открыто делиться нашими результатами и надеемся, что данный уникальный опыт будет полезен профильным специалистам и экспертам.
Также хочу поделиться коллекцией статей, книг, аналитики, которая накопилась за эти годы. В основном на английском архив 100 МБ
Какой биогаз в России? Холодно!
Во-первых в России не везде так уж и холодно. В большинстве южных областей европейской части России биогазовая технология будет устойчива. При этом мы также считаем, что биогазовые станции возможно строить и в сибирских условиях, но с использованием активационных биогазовых подходов, современных утеплительных материалов, добавок в исходное сырье региональных энергетических культур, к примеру, для Томской области клеверного силоса, который отлично взращивается даже в северных районах области. Также такие объекты могут быть в гибридном исполнении и иметь резервный источник тепла на случай крайне сильных морозов. Да, простые твердотоплевные котлы на дровах или угле на всякий случай. Ничего зазорного в этом нет, к тому же пик холодов и аномалии в погоде должны сопровождаться переходом установок в режим сбережения энергии системами контролинга, которые должны быть связаны с системами оперативных метеонаблюдений. БОльшая проблема (на наш взгляд) утилизировать биогаз летом, когда тепла не надо, как зимой, а газа огромное количество. Здесь также имеется простор для развития технологий, в частности, производства «холода» летом для хранения сельскохозяйственной продукции, замораживания ягод, грибов, дикоросов и т.д. Или наоборот — наладить бизнес по варке полуфабрикатов, выпечке хлеба, сушке леса и так далее. Простор для бизнес-размышлений огромен.