Біогаз — газ, що одержують водневим або метановим бродінням біомаси. Метанове розкладання біомаси відбувається під впливом трьох видів бактерій. У ланцюжку живлення наступні бактерії харчуються продуктами життєдіяльності попередніх. Перший вид — бактерії гідролізні, другий — кислотоутворюючі, третій — метаноутворюючі. У виробництві біогазу беруть участь не тільки бактерії класу метаногенів, а всі три види. Одним з різновидів біогазу є біоводень, де кінцевим продуктом життєдіяльності бактерій є не метан, а водень.

Історія

Людство навчилося використовувати біогаз давно. В 1 тисячолітті до н. е. на території сучасної Німеччини вже існували примітивні біогазові установки. Алеманам, які колись населяли заболочені землі басейну Ельби, ввижалися Дракони в корчах на болоті. Вони вважали, що горючий газ, що скупчується в ямах на болотах — це дихання Дракона. Щоб задобрити Дракона, в болото кидали жертвоприношення і залишки їжі. Люди вірили, що Дракон приходить вночі і його дихання залишається в ямах. Алемани додумалися шити зі шкіри тенти, накривати ними болото, відводити газ по шкіряним ж трубами до свого житла і спалювати його для приготування їжі. Воно й зрозуміло, адже сухі дрова знайти було важко, а болотний газ (біогаз) відмінно вирішував цю проблему.

В XVII столітті Ян Баптист Ван Гельмонт виявив, що біомаса, яка розкладається, виділяє займисті гази. Алессандро Вольта в 1776 році прийшов до висновку про існування залежності між кількістю біомаси, що розкладається, і кількістю газу, що виділяється. У 1808 році сер Хемфрі Деві виявив метан в біогазі.

Перша задокументована біогазова установка була побудована в Бомбеї (Індія) в 1859 році. У 1895 році біогаз застосовувався у Великобританії для вуличного освітлення. У 1930 році, з розвитком мікробіології, були виявлені бактерії, які беруть участь в процесі виробництва біогазу.

В СРСР дослідження проводились в 40-х роках минулого століття. В 1948-1954 рр. була розроблена і побудована перша лабораторна установка. У 1981 році при Держкомітеті з науки і техніки була створена спеціалізована секція за програмою розвитку біогазової галузі. Запорізький конструкторсько-технологічний інститут сільськогосподарського машинобудування побудував 10 комплектів обладнання.

Склад і якість біогазу

50-87% метану, 13-50% CO2, незначні домішки H2 і H2S. Після очистки біогазу від СО2 виходить біометан. Біометан — повний аналог природного газу, відмінність тільки в походженні.

Оскільки тільки метан дає енергію з біогазу, доцільно, для опису якості газу, виходу газу та кількості газу все відносити до метану, з його нормованими показниками. Обсяг газів залежить від температури і тиску. Високі температури приводять до розширення газу і до зменшуваного разом з обсягом рівня калорійності і навпаки. Крім того при зростанні вологості калорійність газу також знижується. Щоб виходи газу можна було порівняти між собою, необхідно їх співвідносити з нормальним станом (температура 0 ° C, атмосферний тиск 1,01325 bar, відносна вологість газу 0%). В цілому дані про виробництво газу виражають у літрах (л) або кубічних метрах (м³) метану на 1 кг органічного сухої речовини (ОСВ), це набагато точніше і красномовніше, ніж дані в м³ біогазу в м³ свіжого субстрату.

Сировина для отримання

Перелік органічних відходів, придатних для виробництва біогазу: гній, пташиний послід, післяспиртова барда, відходи пивного виробництва, буряковий жом, фекальні осади, відходи рибного і забійного цеху (кров, жир, кишки), трава, побутові відходи, відходи молокозаводів — солона і солодка молочна сироватка, відходи виробництва біодизеля — технічний гліцерин від виробництва біодизеля з ріпаку, відходи від виробництва соків — жом фруктовий, ягідний, овочевий, виноградна вижимка, водорості, відходи виробництва крохмалю і патоки — мезга і сироп, відходи переробки картоплі, виробництва чіпсів — шкурки, гнилі бульби, кавова пульпа.

Крім відходів біогаз можна виробляти зі спеціально вирощених енергетичних культур, наприклад, з силосної кукурудзи або сильфія, а також водоростей. Вихід газу може сягати до 300 м³ з 1 тонни.

Вихід біогазу залежить від вмісту сухої речовини і виду використовуваної сировини. З тонни гною великої рогатої худоби виходить 50-65 м³ біогазу з вмістом метану 60%, 150-500 м³ біогазу з різних видів рослин з вмістом метану до 70%. Максимальна кількість біогазу — це 1300 м ³ з вмістом метану до 87% — можна отримати з жиру.

Розрізняють теоретичний (фізично можливий) і технічно-реалізований вихід газу. В 1950-70-х роках технічно можливий вихід газу становив усього 20-30% від теоретичного. Сьогодні застосування ензимів, бустерів для штучної деградації сировини (наприклад, ультразвукових або рідинних кавітаторів) та інших пристосувань дозволяє збільшувати вихід біогазу на звичайнісінькій установці з 60% до 95%.

В біогазових розрахунках використовується поняття сухої речовини (СВ або англійське TS) або сухого залишку (СЗ). Вода, що міститься в біомасі, не дає газу.

На практиці з 1 кг сухої речовини отримують від 300 до 500 літрів біогазу.

Щоб порахувати вихід біогазу з конкретної сировини, необхідно провести лабораторні випробування або подивитися довідкові дані і визначити вміст жирів, білків і вуглеводів. При визначенні останніх важливо дізнатися процентний вміст речовин, що швидко розкладаються (фруктоза, цукор, сахароза, крохмаль) і речовин, що важко розкладаються (наприклад, целюлоза, геміцелюлоза, лігнін). Визначивши вміст речовин, можна порахувати вихід газу для кожної речовини окремо і потім скласти.

Раніше, коли не було науки про біогаз і біогаз асоціювався з гноєм, застосовували поняття «тваринної одиниці». Сьогодні, коли біогаз навчилися отримувати з довільної органічної сировини, це поняття зникло і перестало використовуватися.

Екологія

Виробництво біогазу дозволяє запобігати викидам метану в атмосферу. Метан впливає на парниковий ефект в 21 раз сильніше, ніж СО2, і знаходиться в атмосфері 12 років. Уловлювання метану — найкращий короткостроковий спосіб запобігання глобального потепління.

Перероблений гній, барда та інші відходи застосовуються як добрива в сільському господарстві. Це дозволяє знизити застосування хімічних добрив, скорочується навантаження на ґрунтові води.

Виробництво

Існують промислові та кустарні установки. Промислові установки відрізняються від кустарних наявністю механізації, систем підігріву, гомогенізації, автоматики. Найбільш поширений промисловий метод — анаеробне зброджування в метантанках.

 Хороша біогазова установка повинна мати такі частини:

Принцип роботи установки

Біомаса (відходи або зелена маса) періодично подаються за допомогою насосної станції або завантажувача в реактор. Реактор являє собою резервуар, який підігрівається і є утепленим, обладнаний міксерами. Будматеріалом для промислового резервуара найчастіше служить залізобетон або сталь з покриттям. У малих установках іноді використовуються композицітні матеріали. В реакторі живуть корисні бактерії, що живляться біомасою. Продуктом життєдіяльності бактерій є біогаз. Для підтримки життя бактерій потрібна подача корму, підігрів до 35-38 °С і періодичне перемішування. Утворений біогаз скупчується в сховищі (газгольдері), потім проходить систему очищення і подається до споживачів (в котел або електрогенератор). Реактор працює без доступу повітря. Він герметичний і безпечний.

Для зброджування деяких видів сировини в чистому вигляді потрібна особлива технологія. Наприклад, спиртова барда переробляються з використанням хімічних добавок. Для кислої мелясної барди використовується луг. Можлива переробка цих же субстратів за одностадійною технологією без хімічних добавок, але при коферментації (змішуванні) з іншими видами сировини, наприклад, з гноєм або силосом.

Фактори, що впливають на процес бродіння

Температура

Метанові бактерії проявляють свою життєдіяльність в межах температури 0-70ºС. Якщо температура вище — вони починають гинути, за винятком кількох штамів, які можуть жити при температурі середовища до 90°С. При мінусовій температурі вони виживають, але припиняють свою життєдіяльність. У літературі як нижню межу температури вказують 3-4°С.

Площа поверхні частинок сировини

Принциповим є те, що чим менші частинки субстрату, тим краще. Чим більша площа взаємодії для бактерій і чим більш волокнистий субстрат, тим легше і швидше бактеріям розкладати субстрат. Крім того, його простіше перемішувати, змішувати і підігрівати без утворення плаваючої кірки або осаду. Подрібнена сировина впливає на кількість виробленого газу через тривалість періоду бродіння. Чим коротше період бродіння, тим кращим повинен бути подрібнений матеріал.

При досить тривалому періоді бродіння кількість виробленого газу знову збільшиться. При використанні подрібненого зерна цього вже вдалося досягти через 15 днів.

Застосування

Біогаз використовують як паливо для виробництва: електроенергії, тепла або пари, або в якості автомобільного палива.

Біогазові установки можуть встановлюватися як очисні споруди на фермах, птахофабриках, спиртових заводах, цукрових заводах, м’ясокомбінатах. Біогазова установка може замінити ветеринарно-санітарний завод, тобто падаль може утилізуватися в біогаз замість виробництва м’ясо-кісткового борошна.

Серед промислово розвинутих країн провідне місце у виробництві та використанні біогазу за відносними показниками належить Данії — біогаз займає до 18% в її загальному енергобалансі. За абсолютними показниками за кількістю середніх і великих установок провідне місце займає Німеччина — 8000 установок. У Західній Європі не менше половини всіх птахоферм опалюються біогазом.

Країни, що розвиваються

В Індії, В’єтнамі, Непалі та інших країнах будують малі (односімейні) біогазові установки. Одержуваний в них газ використовується для приготування їжі.

Найбільше малих біогазових установок знаходиться в Китаї — понад 10 млн. (на кінець 1990-х). Вони виробляють близько 7 млрд. м³ біогазу на рік, що забезпечує паливом приблизно 60 млн. селян. В кінці 2010 року в Китаї діяло вже близько 40 млн. біогазових установок. В біогазовій індустрії Китаю зайняті 60 тисяч осіб.

В Індії з 1981 року до 2006 року було встановлено 3,8 млн. малих біогазових установок.

У Непалі існує програма підтримки розвитку біогазової енергетики, завдяки якій в сільській місцевості до кінця 2009 року було створено 200 тисяч малих біогазових установок.

Автомобільний транспорт

Volvo і Scania виробляють автобуси з двигунами, що працюють на біогазі. Такі автобуси активно використовуються в містах Швейцарії: Берн, Базель, Женева, Люцерн і Лозанна. За прогнозами Швейцарської Асоціації Газової Індустрії до 2010 року 10% автотранспорту Швейцарії буде працювати на біогазі.

Муніципалітет Осло на початку 2009 року перевів на біогаз 80 міських автобусів. Вартість біогазу становить € 0,4-0,5 за літр в бензиновому еквіваленті. При успішному завершенні випробувань на біогаз будуть переведені 400 автобусів.

Потенціал

В США вирощується близько 8,5 мільйонів корів. Біогазу, одержуваного з їх гною, буде достатньо для забезпечення паливом 1 мільйона автомобілів.

Потенціал біогазової індустрії Німеччини оцінюється в 100 мільярдів кВт/год енергії до 2030 року, що становитиме близько 10% від споживаної країною енергії.