Біогаз

Біога́з, каналізаційний газ, звалищний газ, болотяний газ ― різновид біопалива; газ, що утворюється при мікробіологічному розкладанні метановим бродінням біомаси чи біовідходів, твердих і рідких органічних відходів на звалищах, болотах, у каналізації, вигрібних ямах тощо.

Добувають із відходів тваринництва, харчової промисловості, стічних вод і твердих побутових відходів. Останні повинні бути відсортовані, без неорганічних домішок та домішок неприродного походження.

Історична довідка

Історія розвитку біогазових технологій сягає стародавніх часів. Випадки використання примітивних біогазових технологій зафіксовані у Китаї, Індії, Ассирії та Персії з 17 ст. до н. е. Стале використання біогазових установок фіксують середньовічні китайські джерела.

У 2 ст. на території сучасної Німеччини існували примітивні біогазові установки. У 17 ст. натураліст Ян Баптист ван Гельмонт (тепер Нідерланди) виявив, що біомаса, розкладаючись, виділяє займисті гази. Проте систематичні наукові дослідження біогазу почалися лише у 18 ст.

1764 політик і науковець Б. Франклін повідомляв про запалення ним болотного газу в природних умовах у штаті Нью-Джерсі (США).

Перше наукове обґрунтування горіння болотних газів, встановлення наявності метану в болотному газі, а також процес метанового бродіння відкриті й досліджені фізиком і фізіологом А. Вольта (1776). Після відкриття 1804 хімічної формули метану хіміком і фізиком Дж. Дальтоном європейські вчені зробили перші кроки у дослідженнях практичного застосування біогазу. 1808 науковець Г. Деві виявив метан у біогазі. Перші відомості про практичне використання європейцями біогазу, отриманого з сільськогосподарських відходів, відносять до 1814, коли Г. Деві зібрав біогаз під час дослідження агрохімічних властивостей гною великої рогатої худоби. Від 1881 для збору таких відходів почали використовувати закриті ємності. Після незначної модифікації вони отримали назву «септик».

1859 у м. Бомбеї (тепер Мумбаї, Індія) побудовано першу задокументовану біогазову установку.

1881 ― початок експериментів європейських учених над використанням біогазу для обігріву приміщень і освітлення вулиць. Від 1895 вуличні ліхтарі в одному з районів м. Ексетер (Англія) забезпечували газом, утвореним унаслідок бродіння стічних вод. Від 1897 очищення вод у цьому місті відбувалося в ємностях, з яких збирали біогаз для обігріву та освітлення. 1897 з’явилося повідомлення про отримання біогазу в м. Бомбеї, де газ збирали в колектор і використовували як паливо.

Під час Першої світової війни біогазові установки поширилися Європою, що пояснювалося дефіцитом інших видів палива. Перший масштабний завод із виробництва біогазу побудовано у м. Бірмінгемі (Велика Британія, 1911) з метою знезараження осаду стічних вод цього міста. Одержаний біогаз використовували для виробництва електроенергії. Відтоді до 1920 у Великій Британії розроблені декілька типів установок для переробки стічних вод.

1930 виявлені бактерії, що беруть участь у процесі вироблення біогазу. Першу біогазову установку для переробки твердих відходів об’ємом 10 м³ побудовано 1938 в Алжирі.

Під час Другої світової війни через нестачу енергоносіїв у Німеччині та Франції зроблено акцент на отриманні біогазу з відходів сільськогосподарського виробництва, головним чином із гною тварин. Відтоді у Франції до середини 1940-х експлуатували близько 2 тисяч біогазових установок для переробки гною. Європейські установки довоєнного періоду у післявоєнний час не витримали конкуренції з боку дешевших енергоносіїв (рідке паливо, природний газ та електроенергія), тому були демонтовані.

Вагомим імпульсом для розвитку цієї технології на новій основі стала енергетична криза 1970-х, коли почалося стихійне впровадження біогазових установок у країнах Південно-Східної Азії. Висока густота населення й інтенсивне використання всіх придатних для вирощування сільськогосподарських культур площ землі, а також досить теплий клімат, необхідний для використання біогазових установок у найпростішому варіанті (без штучного підігріву сировини), увійшли в основу різноманітних національних і міжнародних програм із впровадження та розповсюдження біогазових технологій.

В Україні першим детально дослідив природу анаеробного бродіння вчений-мікробіолог В. Омелянський, довівши, що у цьому процесі беруть участь бактерії. У колишньому СРСР дослідження біогазу проводили з 1940-х. У 1948–1954 розроблено і побудовано першу лабораторну установку з виробництва біогазу, однак ця технологія не стала поширеною. Проте під час енергетичної кризи середини 1970-х інтерес до енергозберігаючих технологій зріс; тому при Державному комітеті з науки і техніки 1981 утворено спеціалізовану секцію, що займалася програмою розвитку біогазової галузі. Завдяки зусиллям її співробітників створено кілька установок дослідного характеру. Найбільшим центром із розробки подібних установок був Запорізький конструкторсько-технологічний інститут сільськогосподарського машинобудування, де побудували 10 комплектів обладнання з виробництва біогазу, два з яких експлуатували в Україні. Одна з таких установок, що працювала в Білорусії, виробляла 400–500 м3 газу на добу з 50 м3 гною.

Сучасний стан

У 21 ст. біогазові технології стали стандартом очищення стічних вод і переробки сільськогосподарських та твердих відходів. У більшості розвинених країн переробку органічних відходів у біогазових установках частіше використовують для виробництва теплоенергії й електрики. Вироблена таким чином енергія становить близько 3–4 % усієї споживаної енергії в європейських країнах. Використання електроенергії й тепла, виробленого за допомогою анаеробної переробки біомаси, в Європі зосереджені переважно в Австрії, Фінляндії, Німеччині, Данії і Великій Британії. У Швеції, Фінляндії, Австрії, де держава стимулює використання біогазу (викуповує електроенергію за «зеленим» тарифом), частка виробництва енергії саме у такий спосіб становить близько 15–20 %.

Загальний опис біогазових технологій

Склад біогазу нестабільний і залежить від багатьох факторів, зокрема від якості висхідної сировини, а також від умов її перетворення: 55–75 % метану, 25–45 % вуглекислого газу, незначні домішки водню і сірководню, азоту, ароматичних вуглеводнів, галогено-ароматичних вуглеводнів. Відпрацьовану масу можна використати як органічне добриво.

Процес утворення газу відбувається завдяки метановому бродінню. Його суть полягає в анаеробному бродінні внаслідок життєдіяльності мікроорганізмів, яке супроводжується рядом біохімічних реакцій.

Утворення біогазу складається з двох основних етапів: розщеплення мікроорганізмами біополімерів до мономерів та переробки мономерних біомолекул мікроорганізмами.

Сировина для одержання біогазу: гній, пташиний послід, зернова і меласна післяспиртова барда, буряковий жом, фекальні осади, відходи рибного і забійного цехів (кров, жир, кишки тощо), трава, побутові відходи, відходи молокозаводів (молочна сироватка), відходи виробництва соків (жом фруктовий, ягідний, овочевий), виноградна витримка, водорості, відходи виробництва крохмалю і патоки (мезга і сироп), відходи переробки картоплі, виробництва чіпсів (лушпайки, шкурки, гнилі бульби), кавова пульпа тощо.

Одержання біогазу з біомаси (відходів або зеленої маси) здійснюють у спеціальному теплому реакторі, що є залізобетонним або сталевим резервуаром із міксерами. У реакторі створюється бактеріальне середовище. Продуктом життєдіяльності бактерій, які живляться біомасою, є біогаз. Для підтримки життя бактерій потрібні: своєчасна подача корму; підігрів до 35–38 °С; періодичне перемішування. Утворений біогаз накопичується у сховищі-газгольдері та через систему очищення подається до споживачів (котел або електрогенератор). Реактор працює без доступу повітря; він мусить бути герметичним і безпечним.

Для зброджування деяких видів сировини у чистому вигляді потрібна особлива технологія. Наприклад, спиртову барду переробляють із використанням хімічних домішок. Для кислої меласної барди використовують луги.

Чинники, що впливають на процес бродіння:

  • температура;
  • вологість середовища;
  • рівень водневого показника (рН);
  • певне співвідношення вуглецю, азоту та фосфору (C : N : P, так звана пропорція А. Редфілда);
  • площа поверхні частинок сировини;
  • частота подачі субстрату;
  • певні види і витрати реагентів.

Використання

Напрями використання біогазу:

  • спалювання в котельних агрегатах для нагрівання води та подачі її споживачам;
  • підготовка біогазу та його подача в газорозподільні мережі місцевих споживачів природного газу (змішування з природним газом);
  • очищення, осушення, стиснення і заправка біогазом газобалонних автомобілів, тракторів та інших сільгоспмашин;
  • вироблення електроенергії тощо.
  • Теплотворна здатність біогазу, що містить 70 % метану, становить 25 100 кДж/м3, або 5990 ккал/м3.

Біогаз в Україні

Потенціал генерації біометану в Україні становить 2–7 млрд м3 на рік, або 25 % від поточного споживання газу.

За даними Державного агентства з енергоефективності та енергозбереження України, на першу половину 2020 в Україні діяло 49 установок, що виробляють енергію з біогазу та працюють за «зеленим» тарифом. Встановлена потужність цих установок ― 86 МВт, що майже у 5 разів більше, ніж наприкінці 2015 (18 МВт). Із них 59 МВт (21 установка) працюють на відходах сільського господарства; 27 МВт (28 установок) ― на твердих побутових відходах.

2018 уведено 12 МВт біогазових потужностей (12 установок), 2019 ― 40 МВт (16 установок).

За даними Національної комісії, що здійснює державне регулювання у сферах енергетики та комунальних послуг, 2019 біогазовими установками вироблено 247 млн кВт-год електроенергії. Темпи зростання біогазових потужностей в Україні 2019 майже в 3,5 раза перевищили показники 2018. Загальна кількість інвестицій у цей сектор за 2012–2019 ― 140 млн євро.

Додатково

Сучасні біогазові заводи України:

  • біогазовий завод компанії «Астарта» (м. Глобине Полтавської області), виробнича потужність ― 150 000 м3 біогазу на добу;
  • біогазовий завод ПрАТ «Екопрод», 1,5 МВт (м. Волноваха Донецької області), завод введено в експлуатацію 2017;
  • ТОВ «Юзефо-Миколаївська біогазова компанія» (с. Михайлин Козятинського району Вінницької області), проектна потужність 5 МВт, станом на 28.11.2019 стала до ладу перша черга ― 3,0 МВт.

Література

  1. Саранчук В. І., Ільяшов М. О., Ошовський В. В. та ін. Хімія і фізика горючих копалин. Донецьк : Східний видавничий дім, 2008. 640 с.
  2. The Biogas Handbook: Science, Production and Applications / Ed. by A. Wellinger, J. Murphy, D. Baxter. Oxford : Woodhead Publishing, 2013. 512 p.
  3. Желих В. М., Фурдас Ю. В. Біогазові технології: теорія і практика. Львів : Львівська політехніка, 2015. 164 с.
  4. Energie aus Biomasse. Grundlagen, Techniken und Verfahren / Hrsg. von M. Kaltschmitt, H. Hartmann, H. Hofbauer. 3rd ed. Berlin : Springer, 2016. 1867 p.
  5. Білецький В. С., Орловський В. М., Вітрик В. Г. Основи нафтогазової інженерії. Львів : Новий Світ-2000, 2019. 416 с.
  6. В. С. Білецький, В. М. Орловський

Автор ВУЕ

В. С. Білецький

В. М. Орловський


Покликання на цю статтю

Покликання на цю статтю: Білецький В. С., Орловський В. М. Біогаз // Велика українська енциклопедія. URL: https://vue.gov.ua/Біогаз (дата звернення: 27.11.2021).


Оприлюднено

Статус гасла: Оприлюднено
Оприлюднено:
20.03.2021

Увага! Опитування на честь 30-ліття незалежності