Biogas är en gas som produceras genom väte- eller metanjäsning av biomassa . Metannedbrytning av biomassa sker under påverkan av tre typer av bakterier . I näringskedjan livnär sig efterföljande bakterier på restprodukterna från de tidigare. Den första typen är hydrolytiska bakterier, den andra är syrabildande och den tredje är metanbildande. Biogasproduktion involverar inte bara bakterier i metanogenklassen , utan alla tre arterna. En av varianterna av biogas är bioväte, där slutprodukten av bakteriernas vitala aktivitet inte är metan, utan väte.
På 1600-talet upptäckte Jan Baptist Van Helmont att ruttnande biomassa avger brandfarliga gaser. Alessandro Volta kom 1776 till slutsatsen att det finns ett samband mellan mängden ruttnande biomassa och mängden gas som frigörs. 1808 upptäckte Sir Humphry Davy metan i biogas.
Den första dokumenterade biogasanläggningen byggdes i Bombay , Indien 1859 . 1895 användes biogas i Storbritannien för gatubelysning. 1930 , med utvecklingen av mikrobiologin , upptäcktes bakterier involverade i biogasproduktionsprocessen.
I Sovjetunionen utfördes forskning på 40-talet av förra seklet. Åren 1948-1954. Den första laboratorieanläggningen designades och byggdes. 1981 inrättades en specialiserad sektion under Statens kommitté för vetenskap och teknik för utveckling av biogasindustrin. Zaporozhye Design and Technological Institute of Agricultural Engineering byggde 10 uppsättningar utrustning [1] .
50-87% metan , 13-50% CO 2 , mindre föroreningar H 2 och H 2 S. Efter rening av biogas från CO 2 erhålls biometan. Biometan är en komplett analog av naturgas, den enda skillnaden ligger i ursprunget.
Eftersom endast metan levererar energi från biogas, är det lämpligt att hänvisa allt till metan, med dess normaliserade indikatorer, för att beskriva gasens kvalitet, gasutbyte och kvantitet gas. Mängden gaser beror på temperatur och tryck. Höga temperaturer leder till expansion av gasen och till en minskning av kalorivärdet tillsammans med volymen och vice versa. Dessutom, med ökande luftfuktighet, minskar även kaloriinnehållet i gas. För att kunna jämföra gaseffekterna måste de relateras till normaltillståndet (temperatur 0 °C, atmosfärstryck 1,01325 bar, gasens relativa fuktighet 0%). Generellt uttrycks gasproduktionsdata i liter (l) eller kubikmeter (m³) metan per 1 kg organisk torrsubstans (ODM), vilket är mycket mer exakt och uttrycksfullt än data i m³ biogas per m³ färskt substrat .
Lista över organiskt avfall som lämpar sig för biogasproduktion: gödsel , fågelspillning , spannmål och melass efter alkohol , bryggersäd , betmassa, fekalt slam, fisk- och slakteriavfall (blod, fett, tarmar, canyga ), gräs, hushållsavfall, avfallsmejerier - saltad och söt vassle, biodieselproduktionsavfall - tekniskt glycerin från rapsbiodieselproduktion, juiceproduktionsavfall - frukt, bär, grönsaker, vindruvsrester, alger, stärkelse och melassproduktionsavfall - massa och sirap, potatisavfall , chipstillverkning - skal, skal, ruttna knölar, kaffemassa.
Förutom avfall kan biogas produceras från speciellt odlade energigrödor , som ensilagemajs eller silfium , samt alger . Gasuttaget kan nå upp till 300 m³ från 1 ton.
Utbytet av biogas beror på torrsubstanshalten och vilken typ av råvara som används. Från ett ton boskapsgödsel erhålls 50-65 m³ biogas med en metanhalt på 60%, 150-500 m³ biogas från olika typer av anläggningar med en metanhalt på upp till 70%. Den maximala mängden biogas är 1300 m³ med en metanhalt på upp till 87% - kan erhållas från fett.
Det finns teoretisk (fysiskt möjlig) och tekniskt realiserbar gasproduktion. På 1950-70-talet var det tekniskt möjliga gasutbytet endast 20-30% av det teoretiska. Idag gör användningen av enzymer, boosters för artificiell nedbrytning av råmaterial (till exempel ultraljud eller vätskekavitatorer) och andra enheter det möjligt att öka utbytet av biogas i en typisk anläggning från 60 % till 95 %.
I biogasberäkningar används begreppet torrsubstans (CB eller engelska TS) eller torrrest (CO). Vatten som finns i biomassa producerar inte gas.
I praktiken erhålls 300 till 500 liter biogas från 1 kg torrsubstans .
För att beräkna utbytet av biogas från ett specifikt råmaterial är det nödvändigt att utföra laboratorietester eller titta på referensdata och bestämma innehållet av fetter, proteiner och kolhydrater. När man bestämmer det senare är det viktigt att känna till andelen snabbt nedbrytbara ( fruktos , socker , sackaros , stärkelse ) och svårnedbrytbara ämnen (till exempel cellulosa , hemicellulosa, lignin ). Efter att ha bestämt innehållet av ämnen kan du beräkna gasutbytet för varje ämne separat och sedan lägga ihop det.
Tidigare, när det inte fanns någon vetenskap om biogas och biogas förknippades med gödsel, användes begreppet "djurenhet". I dag, när de lärde sig hur man skaffar biogas från godtyckliga organiska råvaror, har detta koncept flyttats bort och har upphört att användas.
Deponigas är en av varianterna av biogas. Erhålls på deponier från kommunalt hushållsavfall.
Biogasproduktion hjälper till att förhindra metanutsläpp till atmosfären . Metan har 21 gånger större växthuseffekt än CO 2 och stannar i atmosfären i 12 år. Att fånga metan är det bästa kortsiktiga sättet att förhindra global uppvärmning .
Bearbetad gödsel, bard och annat avfall används som gödningsmedel i jordbruket. Detta minskar användningen av kemiska gödningsmedel, minskar belastningen på grundvattnet .
Det finns industriella och hantverksmässiga installationer. Industriella installationer skiljer sig från hantverksmässiga i närvaro av mekanisering, värmesystem, homogenisering och automatisering. Den vanligaste industriella metoden är anaerob rötning i metantankar.
En bra biogasanläggning bör ha de nödvändiga delarna:
Biomassa (avfall eller grön massa) matas periodiskt in i reaktorn med hjälp av en pumpstation eller lastare. Reaktorn är en uppvärmd och isolerad tank utrustad med blandare. Byggmaterialet för en industritank är oftast armerad betong eller belagt stål. I små installationer används ibland kompositmaterial. Nyttiga bakterier som livnär sig på biomassa lever i reaktorn. Biogas är produkten av bakteriers vitala aktivitet. För att bibehålla bakteriernas livslängd krävs fodertillförsel, uppvärmning till 35-38 ° C och periodisk blandning. Den resulterande biogasen ackumuleras i ett lager (gastank), sedan passerar den genom ett reningssystem och levereras till konsumenterna (en panna eller en elgenerator). Reaktorn fungerar utan lufttillgång, är förseglad och ofarlig.
För jäsning av vissa typer av råvaror i sin rena form krävs en speciell teknik. Till exempel bearbetas destilleriet med kemiska tillsatser. Alkali används för sur melas stillage. Det är möjligt att bearbeta samma substrat med en enstegsteknik utan kemiska tillsatser, men med samjäsning (blandning) med andra typer av råvaror, till exempel med gödsel eller ensilage.
Metanbakterier manifesterar sin vitala aktivitet inom temperaturintervallet 0-70ºС. Om temperaturen är högre börjar de dö, med undantag för några få stammar som kan leva vid omgivningstemperaturer upp till 90ºС. Vid minusgrader överlever de, men upphör med sin vitala aktivitet. I litteraturen anges 3-4ºС som den nedre gränsen för temperatur.
Principen är att ju mindre partiklar substratet har, desto bättre. Ju större interaktionsyta för bakterier och ju mer fibröst substratet är, desto lättare och snabbare sönderdelar bakterierna substratet. Dessutom är det lättare att röra, blanda och värma utan att bilda en flytande skorpa eller sediment. Den krossade råvaran har en inverkan på mängden gas som produceras under jäsningsperiodens längd. Ju kortare jäsningsperioden är, desto bättre måste materialet krossas.
Med en tillräckligt lång jäsningsperiod kommer mängden producerad gas att öka igen. Med användning av krossad säd har detta redan uppnåtts efter 15 dagar.
Biogas används som bränsle för produktion av: el, värme eller ånga, eller som fordonsbränsle .
Biogasanläggningar kan installeras som behandlingsanläggningar på gårdar, fjäderfägårdar, destillerier, sockerfabriker, köttbearbetningsanläggningar. En biogasanläggning kan ersätta en veterinär- och sanitetsanläggning, det vill säga kadaver kan omhändertas i biogas istället för att producera kött- och benmjöl .
Danmark är ledande inom produktion och användning av biogas - biogas tar upp till 18 % av sin totala energibalans .
I absoluta tal är Tyskland ledande när det gäller antalet medelstora och stora installationer , med 8 000 installationer.
I Västeuropa värms minst hälften av alla fjäderfägårdar med biogas.
De flesta av de små biogasanläggningarna finns i Kina - mer än 10 miljoner (i slutet av 1990-talet ). De producerar cirka 7 miljarder m³ biogas per år, vilket ger bränsle till cirka 60 miljoner bönder. I slutet av 2010 var cirka 40 miljoner biogasanläggningar i drift i Kina. Biogasindustrin i Kina sysselsätter 60 000 personer [2] .
IndienI Indien, Vietnam , Nepal och andra länder byggs små (enfamiljs) biogasanläggningar. Gasen de producerar används för matlagning.
I Indien installerades 3,8 miljoner små biogasanläggningar mellan 1981 och 2006 .
NepalI Nepal finns ett program för att stödja utvecklingen av biogasenergi, tack vare vilket 200 000 små biogasanläggningar skapades på landsbygden i slutet av 2009 [3] .
Volvo och Scania tillverkar bussar med biogasmotorer. Sådana bussar används aktivt i schweiziska städer : Bern , Basel , Genève , Luzern och Lausanne . Enligt prognoserna från den schweiziska föreningen för gasindustrin år 2010 kommer 10 % av fordonen i Schweiz att köras på biogas.
Oslo kommun konverterade 80 stadsbussar till biogas i början av 2009 . Kostnaden för biogas är 0,4 € - 0,5 € per liter bensinekvivalent. Efter framgångsrikt slutförande av biogasförsöken kommer 400 bussar att konverteras [4] .
I Ryssland producerar agrokomplexet årligen 773 miljoner ton avfall, från vilket 66 miljarder m 3 biogas, eller cirka 110 miljarder kWh el, kan erhållas. Rysslands totala behov av biogasanläggningar uppskattas till 20 000 företag [5] .
Cirka 8,5 miljoner kor föds upp i USA . Den biogas som produceras av deras gödsel kommer att räcka för att driva 1 miljon bilar [6] .
Potentialen för den tyska biogasindustrin uppskattas till 100 miljarder kWh energi år 2030 , vilket kommer att utgöra cirka 10 % av landets energiförbrukning.
Användningen av energigrödor för biogasproduktion har kritiserats av de gröna, särskilt i Tyskland. Bland de negativa aspekterna inkluderar de bland annat:
| Huvudtyper av organiskt bränsle | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Fossil |
| ||||||||
| Förnyelsebart och biologiskt | |||||||||
| artificiell | |||||||||