- Що таке біогаз. 

 - Анаеробне бродіння .

 - Поширені помилки .

 - Кому це потрібно.

 - Що можна отримати .

 - Біогаз .

 - Теплова енергія .

  Що таке біогаз.  

Серед видів альтернативної енергетики біогаз займає дещо особливе місце. Оскільки, в основі усіх альтернативних джерел енергії так чи інакше лежить сонячна енергія, то і отримання біогазу не виняток. Біогаз теж виходить з біомаси, хоча і не тільки рослинною. Тому терміни окупності пристроїв для отримання біогазу (біогазових установок або БГУ) можуть мати той же строк, що і терміни окупності інших пристроїв альтернативної енергетики.   Відмінність у тому, що біогаз, як і біоетанол, виробляється з використанням біологічних перетворень. У процесі цих перетворень біомаса розкладається як на енергетичний продукт (біогаз, спирт ), так і на органічні відходи. У випадку з отриманням біоетанолу такі відходи безпосередньо представляють шкоду для навколишнього середовища, і тільки після енергоємної переробки (сушіння та подрібнення) можуть бути використані як корм для худоби. При виробництві біогазу відходи, що утворюються (шлами біогазової установки), можуть бути використані безпосередньо без будь-яких додаткових перетворень. Вони являють собою прекрасне високоефективне і екологічно безпечне добриво. Цінність цього добрива настільки висока, що навіть перевершує цінність вироблюваного біогазу. Тому при правильній утилізації всіх вихідних продуктів БГУ термін її окупності може бути істотно нижчим, ніж у всіх інших пристроях для отримання альтернативної енергії.   Тепер варто сказати традиційні кілька слів про хімічний склад біогазу. Біогаз переважно складається з метану (CH4). Це той же горючий газ, як і викопний так званий "природний газ". Тільки в природному газі метану більше 90%  а в біогазі - 45-75 %. У рідкий стан метан переходить при температурі -161,60 C. Метан майже не розчинний у воді. Метан легше повітря. При кімнатній температурі і нормальному атмосферному тиску практично не вступає в хімічні реакції.  Другий значний за обсягом компонент біогазу - вуглекислий газ ( CO2). Це той газ, який створює приємні бульбашки в газованій воді, пиві і шампанському. Він важчий за повітря. Він добре розчиняється в холодній воді. При тиску більше 5,28 атм і кімнатній температурі вуглекислота переходить у рідкий стан. У біогазі міститься 25-55 % вуглекислого газу.   Третій компонент біогазу - пари води (H2O). Їх кількість залежить від температури біогазу та умов його отримання та зберігання і становить одиниці відсотків. Зазвичай біогаз осушують перед використанням.   Четвертий компонент біогазу, який часто присутній в ньому - сірководень (H2S) . Його може міститися в біогазі від 0 до 2%. Сірководень погано розчиняється у воді. При спалюванні сірководню виходить сірчистий газ ( SO2). У великій концентрації сірководень роз'їдає метали. Сірчистий газ може служити джерелом отримання сірчаної кислоти.   П'ятий компонент біогазу - аміак ( NH3) . Зазвичай його концентрація не перевищує відсотка. Це теж агресивний газ.   Інші компоненти присутні в біогазі у вигляді слідів в долі відсотка - азот, кисень, водень. Вони не роблять істотного впливу на його властивості .   При спалюванні біогазу згоряє метан , що міститься в ньому. Теплота , що утворюється при згоранні біогазу, менше теплоти, що утворюється при спалюванні природного газу, пропорційно співвідношенням кількостей метану в природному газі і біогазі . Оскільки в біогазі менше метану, ніж у природному газі, то для згоряння одиниці об'єму біогазу потрібно менше повітря, ніж при спалюванні такої ж одиниці об'єму природного газу. Тому, якщо застосовуються пальники для газу, в яких спалюється попередньо створена суміш горючого газу і повітря, то для таких пальників треба зменшувати подачу повітря в суміш при спалюванні біогазу. Це єдина зміна, яка має сенс вносити в побутові газові прилади при налаштуванні їх для роботи на біогазі.   Суміш біогазу з повітрям може бути вибухонебезпечною. Але вибухонебезпечна вона в набагато більш вузькому діапазоні співвідношень повітря та біогазу, ніж для суміші природного газу і повітря. Тому ймовірність вибуху суміші біогазу з повітрям при витоку набагато менше, ніж при витоках природного газу. Середня щільність біогазу становить приблизно 1,13 кг/м3, тобто, в середньому він легше повітря, щільність якого при кімнатній температурі становить близько 1,2 кг/м3. Це означає, що при витоку біогаз буде випаровуватися вгору. Але біогаз також буде розшаровуватися. Тому якщо біогаз випаровується в приміщенні без протягів, то біля підлоги накопичиться вуглекислий газ, а біля стелі - метан. 

Анаеробне бродіння.

Біогаз - це продукт (один з продуктів ) анаеробного бродіння. Це означає, що біогаз виділяється при бродінні органічних речовин без доступу повітря. А бродіння - це процес розкладання під дією бактерій. Попросту кажучи, бродіння відбувається, коли бактерії їдять цю органіку.  Процес анаеробного бродіння з виділенням біогазу умовно поділяють на чотири фази по типу відбуваються. Це фаза гідролізу, ацидогенез, ацетогенеза і метаногенеза. У кожній фазі працює свій тип бактерій, причому кількість видів бактерій, що беруть участь в кожній фазі, налічується сотнями. На фазі гідролізу бактерії розщеплюють білки, жири і вуглеводи на простіші молекули, типу цукрів, амінокислот і т.п. На фазі ацидогенез утворюються різні органічні кислоти. На фазі ацетогенеза утворюється оцтова кислота. І на фазі метаногенеза утворюється біогаз. Це опис фаз дуже приблизно. Кожна фаза описується безліччю хімічних рівнянь. Одночасно відбувається кілька різних реакцій на кожній фазі. Кількісне співвідношення цих реакцій залежить від типу сировини, що переробляється, від видів беруть участь на цьому етапі бактерій і безлічі інших чинників. Тому неможливо абсолютно точно прорахувати і передбачити характер протікання реакції і кількісні показники на виході.   Процес анаеробного бродіння розрізняють також по температурі його протікання. Є три температурні діапазону, при яких спостерігаються локальні максимуми інтенсивності процесу бродіння. Непрямим показником цієї інтенсивності є обсяг виділяється біогазу в одиницю часу. Перший температурний режим анаеробного бродіння називається психрофільні. Психрофільні бродіння відбувається в діапазоні температур 15 - 250C. Другий температурний режим називається мезофільних. Мезофільне бродіння відбувається в діапазоні температур 30 - 400C. Третій температурний режим називається термофільним. Термофільне бродіння відбувається в діапазоні температур 50 - 560C.   У кожному більш теплому температурному режимі метаболізм бактерій відбувається приблизно в два рази швидше, ніж у попередньому. Відповідно, біогаз виділяється приблизно в два рази швидше. Але більш високотемпературний процес менш стійкий і більш примхливий, ніж попередній. Тому найпростіші біогазові установки працюють зазвичай в психрофільні режимі. Великі промислові установки працюють зазвичай в мезофільному режимі. Бактерії живуть в шлунках практично всіх тварин на землі. Особливо багато бактерій третьої і четвертої фаз бродіння знаходиться в шлунках жуйних тварин (корови , вівці , коні , кози і т.д.).   Як всім відомо, нормальна температура тіла у ссавців на Землі лежить в діапазоні 35 - 400C . Наприклад , для людини це 36,60 C. Звідси стає зрозуміло, чому більшість біогазових установок працюють в мезофільному режимі при температурі реакції 37 - 380С.   До речі, бактерії, що працюють у двох перших фазах, ефективніше функціонують при температурах психрофільні режиму. Тому існує технологія двухстадийного анаеробного бродіння, коли реакція відбувається у двох послідовно з'єднаних ємностях. У першій ємності відбуваються дві перші фази анаеробного бродіння при температурі 250C. У другій ємності відбуваються третя і четверта фази при температурі 37 - 380C. Таке рішення дозволяє оптимізувати і стабілізувати перебіг процесу для деяких типів сировини.   До цих пір немає єдиної думки з приводу того, які бактерії працюють на третій і четвертій фазах в різних температурних режимах. Одні стверджують, що це різні види бактерій. У реальному світі вони є всюди, але активізуються, тільки потрапивши в підходящі умови. Інша теорія говорить, що це одні і ті ж бактерії пристосовуються до різних температур і працюють в різних режимах метаболізму.   Якщо взяти яке-небудь підходяще органічна сировина, помістити його у відповідну герметичну ємність з газовідводом і забезпечувати підтримку стабільної температури відповідного режиму і періодичне перемішування, то вийде лабораторна біогазова установка з одноразовою завантаженням. Графік залежності швидкості виділення біогазу від минулого часу бродіння буде виглядати у вигляді плавного горба. Це легко пояснити. Спочатку починаються перші стадії бродіння, а потім вже в дію вступають останні стадії. Але кількість органічної сировини в лабораторному реакторі обмежена. Ця речовина розкладається, кількість неразложенном органіки зменшується , і вихід біогазу падає. Поступово вихід впаде до нуля. Це означатиме, що вся органіка в сировині розклалася до неорганічних солей. Процес повного розкладання навіть у термофільному займає дуже значний час. У мезофільному режимі цей час вимірюється місяцями. Однак, якщо взяти до уваги лише значення виходу біогазу, близькі до максимальних, то такий час буде лежати в діапазоні двох-чотирьох тижнів для мезофильного режиму. Час це залежить від складу вихідної сировини і називається тривалістю циклу анаеробного бродіння. Природно, що якщо зупинити бродіння в кінці цього циклу, то в реакторі залишиться частково розкладена органіка . Зазвичай глибина розкладання органіки в кінці циклу становить 40-60 %. Це означає, що в кінцевому субстраті маса органіки становить 40-60 % від маси органіки в субстраті, яким був спочатку заповнений реактор. На таке йдуть свідомо з метою отримання максимальної швидкості виходу біогазу та мінімізації розмірів біогазової установки.   Зазвичай біогазові установки не працюють так, як в лабораторії. У них відразу закладають повну порцію сировини, щоб заповнити реактор. Потім, коли реакція починається і стабілізується, сировину додають регулярно невеликими порціями, одночасно зливаючи перебродила масу. Тому поняття тривалості циклу для них замінюється поняттям "часу гідравлічного перебування" в реакторі. Це умовна величина яка характеризує середній час, який проведе в реакторі чергова порція свіжого субстрату. 

Поширені помилки.  

Перше і найпоширеніша помилка - це коли вважають, що біогазова установка призначена для отримання енергії, і що вона себе за допомогою біогазової установки цієї самої енергією забезпечує. Насправді, біогазова установка призначена в першу чергу для утилізації шкідливих для навколишнього середовища органічних відходів і перетворення їх у корисне і ефективне органічне біодобриво . Енергія - побічний продукт роботи біогазової установки. Тому, якщо у Вас немає стабільного джерела достатньої кількості безкоштовних або дешевих органічних відходів, не варто замислюватися про біогазової установки. Купуйте краще дров чи вугілля, дешевше і простіше вийде.   Друга помилка - це те, що біогазова установка нібито може представляти якусь небезпеку для оточуючих. Звичайно, абсолютно безпечною її назвати не можна так само, як і будь-яке інше технічний пристрій . Але реактор БГУ не може вибухнути від високого тиску, тому що відносний тиск у ньому не перевищує сотих часток атмосфери. Біогаз в газгольдері не може вибухнути, тому що він не змішаний з повітрям, і, навіть якщо якимось дивом всередині газгольдера проскочить іскра, вона нічого не зможе запалити. У вихідному шламі з реактора немає хвороботворних бактерій, немає яєць глистів та схожих насінин бур'янів. Висушений і подрібнений на борошно шлам навіть застосовують в якості кормової добавки для худоби. Витік біогазу в провітрюваному приміщенні або на відкритому повітрі не призведе до отруєння або задухи оточуючих , так як біогаз швидко випарується в повітря.   Третя помилка - це те,  що харчових відходів та стоків туалету звичайної сім'ї вистачить для обігріву приватного будинку. Якби все було так чудово просто, то енергетичні компанії не правили б світом. Все залежить від виду і об'єму сировини. Але фактично, біогазова установка - це сільськогосподарська техніка, бо тільки в сільському господарстві і харчовій промисловості може виникати достатню кількість органічних відходів для того, щоб економічно виправдати доцільність їх переробки методом анаеробного бродіння.   Четверта помилка - це те, що з отриманого в малій біогазової установці біогазу можна буде виробити електроенергію, отримати тепло для обігріву будинку і паливо для заправки автомобіля. Так, теоретично все це можливо, хоча тільки на великих промислових біогазових установках . Пристрій, який дозволяє отримати з біогазу електричну та теплову енергію, називається когенератор. Бувають газопоршневі і газотурбінні когенератори . Перші зроблені на базі двигунів внутрішнього згоряння, другі - на базі газотурбінного двигуна. Промислово випускаються когенератори розраховані на великі обсяги споживаного біогазу і на великі генеруються електричні потужності . З 1 м3 біогазу можна виробити до 2,3 кВт * год електричної енергії. А моделі промислових когенераторів зазвичай починаються з електричних потужностей в 50 кВт . Тобто , в добу такий когенераторів при роботі на номінальному режимі споживає 50 * 24 / 2 , 3 = 522 м3 біогазу. Малі ж біогазові установки зазвичай на добу видають 5-50 м3 біогазу. Питома вартість серійно випускаються когенераторів становить від 500 до 2000 USD за 1 кВт електричної потужності. У продажу в деяких країнах можна знайти газопоршневі генератори резервного електроживлення малої потужності. Деякі з них здатні працювати на біогазі. Але вони не розраховані на цілодобову роботу без перерв, мають малий моторесурс й не виробляють теплову енергію. Також зазвичай у них знижений ККД , тобто з 1 м3 біогазу вони вироблять менше 2 кВт * г електроенергії .   Тепло для обігріву будинку отримати можна, але не завжди і за умови гарної теплоізоляції цього будинку. Треба пам'ятати, що теплотворна здатність біогазу становить близько 2/3 теплотворної здатності природного газу , тому для обігріву біогазу треба в 1,5 рази більше, ніж природного газу.   Для автомобіля з бензиновим двигуном після доповнення спеціальними системами можна застосовувати в якості палива метан. Зазвичай природний газ (що складається більш, ніж на 90 % з метану ) стискають до тиску 200 атм і заповнюють балони. Один або кілька таких балонів розміщується в автомобілі, двигун якого працює на такому паливі. Біогаз ж має набагато більшу кількість домішок , ніж природний газ. Тому стиснути його до таких об'ємів нереально без очищення. Особливо від СО2.