Технологія: Біогаз

Біогазові установки виробляють у бактеріальному, анаеробному процесі газ із приблизно 60% метану (CH⁴), 40% вуглекислого газу (CO₂) і меншою кількістю азоту (N₂), сірководню (H₂S), аміаку (NH3), водню (H2) і водяної пари. H²S є дуже корозійним газом і зазвичай видаляється перед використанням газу. Газ можна покращити шляхом видалення CO₂ та інших газів для отримання якості природного газу з майже чистим CH⁴, але для централізованого опалення це не є необхідним, оскільки і котли, і двигуни добре працюють на біогазі після видалення H²S.

Біогазові установки працюють за біологічним процесом із поєднанням природних бактерій в анаеробному (безкисневому) середовищі. Бактерії можуть бути психрофільними (нижче 20 °C), мезофільними (20-40 °C) або термофільними (вище 40 °C). У біогазі для централізованого опалення зазвичай використовуються мезофільні бактерії при температурі близько 37 °C і термофільні близько 55 °C. Термофільний процес найшвидший, але керувати ним складніше, ніж мезофільним. Резервуари біогазового реактору потрібно нагріти та підтримувати постійну температуру для стабільної продуктивності. Часто 20% виробленого газу використовується для підігріву біогазових реакторів та використання електроенергії в установці для перемішування субстрату в реакторах та для перекачування.

Вихідною сировиною для біогазу часто є гній, змішаний з харчовими відходами та відходами харчової промисловості, а також м’якими сільськогосподарськими залишками. Отриманий біогазовий осад (дигестат) є хорошим добривом з більшою кількістю поживних речовин для рослин у мінеральних формах, ніж у вхідному гної та іншій сировині. Вищий ступінь мінералізації дозволяє рослинам швидше використовувати поживні речовини. Осад біогазу міститиме ті самі важкі метали та стійкі органічні забруднювачі (СО^З), як і вихідна сировина в дещо концентрованій формі, але він міститиме набагато менше шкідливих бактерій і матиме менш виражений запах. Основними забруднювачами від біогазових установок є втрати метану, який є сильним парниковим газом, і запах із сировини, обидва з яких можна зменшити за допомогою належної технології та належного управління. Щоб зменшити викиди метану, можна використовувати резервуари після зброджування зі збором метану.

Основні компоненти біогазової установки для централізованого теплопостачання:

• Будівлі для прийому гною та іншої сировини, часто приміщення для прийому рідкої та твердої сировини. Будівля побудована для обмеження запаху сировини.
• Зберігання на вході до реактору для забезпечення постійного надходження вихідної сировини до метантенків.
• Можлива гігієнізація сировини з бактеріологічним ризиком.
• Змішування сировини. Якщо сировина занадто суха, також додавання води.
• Теплообмінник для попереднього підігріву підготовленої сировини з дегазованим осадом біогазу (дигестату).
• Резервуари для зброджування з нагріванням і перемішуванням (перемішування вмісту резервуару може відбуватися за допомогою обладнання в резервуарі або за допомогою перекачування між різними шарами резервуару).
• Вихідне сховище для дегазованого осаду біогазу. Воно може бути накритим для додаткового збору метану.
• Можливе розділення дегазованого осаду біогазу на рідку фракцію та густу/волокнисту фракцію.
• Очищення та осушення газу.
• Можливе зберігання газу для відповідності видобутку газу та попиту на щоденній основі (денне зберігання).
• Можлива місцева ТЕЦ для постачання тепла та електроенергії для станції (якщо ТЕЦ знаходиться далеко від біогазової станції).

Приклади

Біогазова станція м. Лемвіг

Це найбільша датська термофільна біогазова станція, яка виробляє газ для централізованого опалення (більші станції виробляють для комунальної газової мережі). Станція має 4 резервуари для зброджування загальною ємністю 14 000 м³, які працюють з термофільними бактеріями при температурі 52°C. Завод належить фермерам і постачає газ через біогазові труби на ТЕЦ у місті Лемвіг, а також на 5 сіл, які також мають централізоване теплопостачання. ТЕЦ щорічно виробляють 33 ГВт-год електроенергії та 55 ГВт-год тепла, забезпечуючи теплом понад 3000 домогосподарств, а електроенергія продається в електромережу.

Вихідною сировиною є гній худоби і низка потоків органічних відходів від харчових фабрик і очисних споруд. Відходи повинні мати обмежений вміст важких металів, оскільки дигестат використовується як добриво. Сировина доставляється вантажівкою, а осад біогазу (дигестат) відправляється фермерам, які володіють заводом. Великі резервуари для дигестату дозволяють фермерам зберігати його взимку та застосовувати лише як добриво в період вегетації рослин.

Технічні параметри нових біогазових установок

• Розміри, як правило, 1000 тонн подача/день, потужність виробництва біогазу 9 МВт (типово для Данії).
• Ефективність: із виробленого газу зазвичай споживання тепла становить 9%, а електроенергії – 3,8%, що дозволяє використовувати 86% газу для інших цілей.
• Продуктивність, як правило, 0,75 ГДж (0,2 МВт·год) газу на тонну вхідної сировини.
• Термін служби, технічний термін служби зазвичай становить 20 років.
• Вимоги до простору: через запах у разі проблем з процесом, рекомендується не розміщувати біогазову установку поблизу житлових будинків або підприємств, які мають проблеми з запахами.
• Викиди: викиди метану від 1% до 2% для великих установок, що постачають централізоване теплопостачання (досвід Данії, 1% є цільовим показником для всіх установок, 2% є поточним середнім показником у 2021 році). Крім того, біогазові котли та когенераційні установки мають подібні викиди NOx і метану, як котли та когенераційні установки на природному газі. Також заводи з очищення біогазу для виробництва біометану (якості природного газу) можуть мати викиди метану.

Фінансові параметри нових біогазових установок

• Номінальний обсяг інвестицій: 1,7 млн. €/МВт біогазової установки, не враховуючи когенераційну установку до централізованого теплопостачання або труби за межами території установки. Установки потужністю менше 9 МВт будуть дорожчими за МВт.
• Фіксовані витрати на експлуатацію та технічне обслуговування (O&M): 160 000 євро/МВт потужності біогазу на рік без урахування попиту на тепло та електроенергію, які можуть бути вироблені з біогазу, і за умови, що установка працює.
• Змінні витрати на експлуатацію та технічне обслуговування (O&M): для вищевказаних значень для фіксованих витрат на експлуатацію та технічне обслуговування не потрібно додавати додатково змінні витрати на O&M.

Джерела додаткової інформації

Розрахунок енергії та економіки

• Каталог технологій для постачання електроенергії та тепла Датського енергетичного агентства, онлайн

Кейси

• Для прикладів біогазових установок перегляньте список датських біогазових установок тут: ens.dk
  (посилання на веб-сайти рослин можна знайти за допомогою пошукової системи в Інтернеті)

Постачальники технологій та монтажники

Технічна консультація

Дослідження та розробки

Джерела для цього розділу

• Каталог технологій для відновлюваних джерел палива, Датське енергетичне агентство, квітень 2022 р. (каталог технологій і супровідні таблиці даних)
• Lemvig Biogas: lemvigbiogas.com
• Данське енергетичне агентство онлайн-інформація про біогаз: ens.dk
• Біометанізація в психрофільних умовах: огляд (тільки посилання для визначення температурних діапазонів для психрофільних, мезофільних і термофільних температурних діапазонів), опубліковано в травні 2003 року в Bioresource Technology 87(2):147-53. Автори: Kashyap, Des; Дадич К.; Sharma, S. researchgate.net
• Metantab fra biogasanlæg skal bringes ned (тільки про викиди метану). Стаття асоціації Biogas Danmark, онлайн, вересень 2021 р: biogas.dk