Биогазовая установка или биогенератор является преобразователем энергии, устройством утилизации органических отходов, то есть анаэробной переработки органических отходов сельского хозяйства, пищевой промышленности в биогаз и органоминеральные удобрения.
Биогазовая установка или биогенератор, сфера применения, виды биотоплива и принцип его получения.
Переработка отходов на биогазовой установке дает:
Биогаз.
В процессе брожения из биоотходов вырабатывается биогаз. Он может использоваться, как и обычный природный газ, для обогрева помещения (с применением специальной горелки), выработки электроэнергии. Его можно сжимать, использовать для заправки автомобиля, накапливать, перекачивать. Таким образом, биогазовая установка позволяет в реальных условиях иметь собственную газовую скважину.
Электроэнергию.
Из одного кубического метра биогаза можно выработать 2 кВт часа электроэнергии.
Тепло.
От охлаждения электрогенератора в специальной установке вырабатывается тепло без дополнительного сжигания газа.
Биоудобрения.
Переброженная масса — это экологически чистые жидкие и твердые удобрения (биогумус). После применения данной методики урожаи в фермерском хозяйстве растут на 40-50%.
Утилизацию или очистку.
Обычные органические отходы сельскохозяйственного производства (к примеру, коровий навоз) нельзя использовать, по крайней мере, 1 год (все это время надо хранить в лагунах). Биогазовая установка перерабатывает отходы в удобрение (биоудобрение), готовое к использованию.
Топливо для автомобиля.
Биогаз — после очистки от СО2 — это прежде всего метан, которым заправляют автомобили.
Биотопливо.
Биотопливо — это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки органических удобрений. Существуют даже проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и сахарного тростника, но эти технологии находятся в ранней стадии коммерциализации. Различают жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, к примеру этанол, метанол, биодизель), твердое биотопливо (дрова, солома) и газообразное (биогаз, водород).
Твердое биотопливо.
Один из самых распространенных примеров биотоплива — обычные деревянные дрова. Это древнейшее твердое топливо, используемое человечеством. В настоящее время для производства дров или биомассы выращивают специальные площадки «энергетического» леса, состоящие из сортов быстрооборачиваемых деревьев.
Биоэтанол.
Биоэтанол — обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Мировое производство биоэтанола в 2010 году составило 44,3 млрд литров, из которых 45% пришлось на Бразилию и 44,7% — на США. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США — из кукурузы.
Производство этанола из тростника экономически более выгодно, чем из кукурузы. Интересно, что правительство США предоставляет производителям этанола налоговый кредит (но не субсидии) до $0,51 за галлон этанола. Бразильский этанол дешевле из-за низких заработных плат у сборщиков сахарного тростника.
Биометанол.
Промышленное культивирование и биотехнологическая конверсия морского фитопланктона (микроводорослей) рассматривается как одно из наиболее перспективных направлений в области получения биотоплива.
В конце XX века рядом европейских стран совместно разрабатывался проект, ориентированный на создание промышленных систем с использованием прибрежных пустынных районов. Осуществлению этого проекта помешало общемировое снижение цен на нефть. Первичное производство биомассы осуществляется методом культивирования фитопланктона в искусственных водоемах, создаваемых на морском побережье.
Вторичные процессы представляют собой метановое брожение биомассы и последующее гидроксилирование метана с получением метанола. Основными доводами в пользу использования микроскопических водорослей являются следующие:
— Высокая продуктивность фитопланктона (до 100 т/га в год).
— В производстве не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода.
— Процесс не конкурирует с сельскохозяйственным производством.
— Высокая энергоотдача процесса на стадии получения метана и на стадии получения метанола.
Биобутанол.
Это бутиловый спирт, то есть бесцветная жидкость с характерным запахом, широко использующаяся в промышленности.
Диметиловый эфир.
Диметиловый эфир — экологически чистое топливо без содержания серы. Оксидов азота в выхлопных газах на 90% меньше, чем у бензина. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобаллонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переделки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30% содержании в топливе.
Биодизель.
Биодизель — топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации. Сырьем могут быть рапсовое (основной вид сырья в ЕС), соевое, арахисовое, пальмовое, кокосовое масла или любое другое масло-сырец, отработанное подсолнечное и оливковое масла (использованные, например, при приготовлении пищи), а также животные жиры и иные отходы пищевой промышленности, в том числе некоторые водоросли.
В части получения энергии данная биосистема имеет существенные экономические преимущества, по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии. С химической точки зрения биодизель представляет собой метиловый эфир, к слову, очень пахучий, имеющий концентрированный запах.
При его производстве в процессе этерификации масла и жиры вступают в реакцию с метиловым спиртом и гидроксидом натрия, служащим катализатором. В результате чего образуются жирные кислоты, а также побочные продукты. Например глицерин, широко применяющийся в фармацевтической, парфюмерной и лакокрасочной промышленности.
Биодизель в настоящее время признан Агентством по охране окружающей среды и Министерством энергетики США в качестве альтернативного горючего, соответствующего требованиям по защите атмосферного воздуха и окружающей среды.
К тому же биодизель обладает рядом существенных преимуществ:
— Нетоксичен. Его токсичность составляет лишь 10% от токсичности поваренной соли.
— Разлагается в естественных условиях. Приблизительно за то же время, что и сахар.
— Практически не содержит серы и канцерогенного бензола.
Кроме того, данный вид топлива при некотором снижении мощности двигателя (очень малом при использовании биодизеля в виде 20% смеси с обычным дизельным топливом) обладает и чисто техническими преимуществами, которые включают в себя:
— Увеличение смазывающей способности, что продлевает жизнь двигателя.
— Значительное снижение вредных выбросов (включая СО, СО2, SO2, мелкие частицы и летучие органические соединения).
— Способствует очистке инжекторов, топливных насосов и каналов подачи горючего.
Биодизель показывает самые конкурентоспособные результаты среди различных альтернативных видов топлива. В сравнении с затратами как на полный жизненный цикл автомобиля, так и на проезд одного километра пути.
Принцип получения биотоплива.
Биомасса (древесина, солома, сено и другие виды) является возобновляемым источником энергии. Биогазовая установка подвергает биомассу газификации. Газ после очистки используется для генерации электроэнергии. К примеру, из 25 тонн отходов древесины производится более 1,2 МВтч электроэнергии.
Биомасса может смешиваться с другими отходами. Полученное соединение может быть использовано в качестве исходного сырья для синтеза многих веществ. Включая потенциальный в качестве биотоплива диметилфуран (DMF), получаемый (в том числе) из необработанной кукурузной соломы в фермерском хозяйстве.
Получение биотоплива DMF весьма перспективно. Хотя оно еще не получило широкого распространения в качестве топлива, многие считают, что оно обладает большими перспективами, чем этанол. Энергетическая емкость DMF сравнима с энергетической емкостью бензина и превышает этот показатель этанола на 40%. DMF уже зарекомендовал себя как хорошая добавка к бензину и может даже заменить бензин без существенных изменений оборудования автозаправочных станций. Дело встало за массовым производством данного вида топлива.
Раствор хлорида лития в качестве растворителя и хромсодержащего катализатора можно получать после разрушения целлюлозы и конвертации образующейся при этом глюкозы во фруктозу. Потом происходит дегидратация, позволяющая понизить содержание кислорода. Это важно для повышения энергетической емкости топлива. Так получают промежуточный продукт HMF. На втором этапе процесса можно использовать водород для дальнейшего восстановления HMF в DMF.
Особое внимание надо уделить получению биотоплива из подручных материалов и без применения «особых» промышленных технологий. То, что буквально лежит под ногами в любом фермерском хозяйстве или дворе (личном подсобном хозяйстве), можно с успехом использовать на пользу и для экономии на сторонних энергоносителях.
Биотопливо из навоза.
Биогазовая установка и отходы сельского хозяйства и пищевой промышленности позволяют получать энергию практически из ничего. Такими отходами могут быть навоз крупного рогатого и мелкого рогатого скота, свиней, птичий помет, отходы боен, пивная дробина, послеспиртовая барда, свекольный жом, канализационные стоки и другое.
По материалам книги «Современные био-, бензо-, дизель-генераторы и другие полезные конструкции».
Кашкаров А. П.
