Под термином «биомасса» в широком смысле в современной энергетике понимают некую совокупность органических материалов, которые могут использоваться в качестве топлива для различных энергетических установок – напрямую или пройдя ряд преобразований. Биомасса – эффективный источник возобновляемой энергии, способный покрыть значительную часть общих энергетических потребностей промышленно развитых стран.
В настоящее время разработано и применяется множество способов получения эффективного биологического топлива: отходы деревообработки перерабатываются в энергоемкие и малозольные гранулы; масла и спирты, получаемые из растительного сырья, служат для выработки биодизельного топлива и биоэтанола (в таких странах, как США, Швеция и Бразилия, этанол уже добавляют в бензин, чтобы снизить эмиссию в атмосферу CO2.); горючий газ биологического происхождения используется как топливо для котлов и двигателей.
Известно, что биогаз можно добывать не только из органической массы растительного происхождения, но и бытовых отходов, помёта домашних животных, навоза. В основе технологии получения биогаза – анаэробная (в условиях полного отсутствия кислорода) ферментация органических веществ. Практически во всех странах Западной Европы действуют национальные программы по выработке и использованию биогаза. В некоторых государствах рассматриваются возможности полного обеспечения энергетических потребностей за счёт этого топлива. Важно, что применение биогаза в различных системах энергогенерации обусловливает значительное снижение техногенного воздействия на окружающую среду.
Анаэробная ферментация – процесс многоступенчатый, эффективно протекающий в условиях влажной (примерно 50 %) среды при температуре от 35 до 40 °С. На первом этапе происходит температурное воздействие на влажную биомассу. Разложившаяся субстанция, в свою очередь, расщепляется до состояния органических кислот, слабых алкоголей, водорода, аммиака, аммиачной воды, диоксида углерода и сероводородной кислоты. Следующий шаг – преобразование полученной субстанции с помощью анаэробных микроорганизмов в уксусную и муравьиную кислоты. Далее происходит процесс расщепления бактериями кислоты с образованием метана и воды. Одновременно диоксид углерода восстанавливает чистый водород до метана.
Известно несколько десятков микроорганизмов, которые разлагают сложные органические вещества на простые жирные кислоты, и свыше десятка, перерабатывающих эти кислоты в метан и CO2. Биогаз, получаемый в результате анаэробного разложения органических веществ, состоит из метана (до 70 %), диоксида углерода (29 %), а также из незначительного (остальное) количества кислорода и сероводорода. Эта смесь не является высококалорийным топливом. Теплота сгорания биогаза, содержащего 60 % метана, составляет примерно 5342 ккал/м3. (Приблизительная теплота сгорания чистого метана – 8900 ккал/м3.) Калорийность биогаза напрямую зависит от содержания в нем метана: чем больше метана в смеси, тем выше теплота сгорания продукта.
Как уже говорилось, продукты жизнедеятельности домашних животных и птиц могут стать сырьем для выработки биогаза. Он также добывается из массы органических сельскохозяйственных и бытовых отходов. Количество газа, получаемого при гниении разнообразного сырья, сильно отличается и зависит от качества каждого компонента, температуры, при которой происходит процесс, интенсивности добавления и смешения нового материала. Помёт животных может перерабатываться в метантенках не в чистом, а в смешанном виде, например, с определённым количеством бумажной массы, листвы деревьев или скошенной травы. Оценка количества и качества горючего газа, получаемого при переработке различных видов биомассы, представлена в табл. 1.
По энергетическому потенциалу биогаз не намного уступает природному газу, который обычно используется на тепловых электростанциях. Однако наличие в нем соединений серы (H2S) обусловливает применение специальных конструкционных материалов. Сернокислотная коррозия может вызвать повреждения входных и выходных трактов энергоустановки, окисление свечей зажигания, других элементов.Модификация энергоустановок для использования биогаза заключается в выборе материалов, устойчивых к сернокислотной коррозии (содержащих, в частности, минимальное количество меди). Необходима также организация специального контроля состояния смазочного масла. Низкое давление газа обусловливает увеличение диаметра трубопроводов и арматуры.Типовая схема биогазовой электростанции состоит из двух стальных биореакторов, газового коллектора, энергоцентра и колодцев для содержания навоза. «Отработанный» навоз помещается в колодцы, из которых потом забирается для удобрения полей, а также направляется в более крупное хранилище, расположенное на определённом расстоянии от биостанции, ближе к полям.
Что касается чисто экономической выгоды от использования для собственных нужд мини-ТЭЦ на биогазе, то тут всё зависит от местных условий, то есть от наличия первичного сырья. Проведем сравнительный расчёт экономической эффективности использования мини-ТЭЦ мощностью 500 кВт на природном и биологическом газе, вырабатываемом за счёт сбраживания куриного помёта (табл. 2).
Расчёт ориентирован на условия Российской Федерации. Стоимость природного газа принята 17,5 руб./10 м3; электрической энергии – 1,3 руб./кВт*ч; тепловой- 600 руб./Гкал. Расчетная наработка оборудования – 7500 ч/год на средней нагрузке 75 % номинальной мощности.
Пояснения: в стоимость биогазовой установки включены цена сооружения биореактора, метантенков, газгольдера; под стоимостью биогаза подразумевается сумма затрат на приобретение электрической энергии, требуемой для его производства, и отходов целлюлозной промышленности, добавляемых в помёт. Данные и результаты подобных выкладок будут варьироваться в зависимости от конкретной технико-экономической ситуации и поставленной задачи.
Производством газопоршневых электростанций, работающих на биогазе, занимаются многие ведущие корпорации мира. В России уже достаточно давно возможно реализовать подобный проект, используя оборудование таких компаний как Tedom, Wartsila, Jenbacher, Waukesha, Siemens. Гарантом успешного внедрения подобных технологий является надежная энергетическая компания, способная без лоббирования интересов определённой марки выполнить обоснованный выбор оборудования и проекта в целом.