Біогаз – це відновлюване джерело енергії, що отримується в результаті анаеробного (без доступу кисню) розкладання органічних речовин, із застосуванням цілого комплексу заходів, у тому числі для осушення та очищення через чилер. Він складається в основному з метану (50-75%) та вуглекислого газу (25-45%), а також містить сліди водню, сірководню та азоту. Виробництво біогазу вирішує два глобальних завдання: утилізацію органічних відходів та генерацію екологічно чистої енергії. Цікаво буде дізнатися, які матеріали служать сировиною для його отримання, яка їх ефективність і які фактори впливають на вихід газу.
Основні джерела біогазу
Біогаз утворюється внаслідок метаболізму анаеробних бактерій, які розщеплюють складні органічні сполуки на прості компоненти. Основними джерелами сировини на сьогоднішній день є:
Сільськогосподарські відходи
Це, наприклад, перегній тварин – мабуть, найпопулярніша сировина. Корови, свині, птиця – їх послід містить клітковину, білки та жири, які легко ферментуються. Наприклад, 1 тонна коров’ячого гною дає 50-65 м³ біогазу.
Не треба забувати і про рослинні рештки, наприклад, солому, бадилля, силос, які традиційно непридатні для корму. Такі відходи багаті на лігнін і целюлозу, але вимагають попередньої обробки (подрібнення, гідроліз) для прискорення розкладання.
Харчові відходи
Залишки їжі з підприємств громадського харчування, супермаркетів та домогосподарств – фрукти, овочі, м’ясні та молочні продукти. Вони відрізняються високим вмістом вологи та високою швидкістю ферментації.
Стічні води та осад
Насамперед, це мул з очисних споруд, який містить органіку, що накопичується в процесі фільтрації стічних вод. Промислові стоки також використовуються. Пивоварні, молокозаводи, цукрові заводи – їх відходи завжди насичені вуглеводами та жирами.
Енергетичні культури
Йдеться про спеціально вирощувані рослини для біогазових установок. Це, наприклад, кукурудза – лідер із врожайності та виходу газу (з 1 га – до 10 000 м³ біогазу). А ще міскантус та сорго – посухостійкі культури з високим вмістом целюлози.
Читайте також що таке біогазова установка
Побутові органічні відходи
Очищення овочів, зіпсовані продукти, папір та садове сміття. У розвинених країнах на їхню частку припадає до 40% вмісту сміттєзвалищ.
Які відходи можна використовувати для отримання біогазу?
Важливо розуміти, що не вся органіка підходить для анаеробного зброджування. Ефективність процесу безпосередньо залежить від біорозкладу сировини, співвідношення вуглецю та азоту (C/N), а також наявності інгібіторів.
Читайте також, що таке біогаз і як його отримують
Підходящі відходи:
- Легкоферментовані – харчові відходи, гній, жири, пивна дробина. Вони швидко розкладаються та забезпечують високий вихід метану.
- Важкоферментовані – солома, тирса, трава. Вимагають попередньої обробки (термічної, хімічної чи ферментативної) для руйнування лігніно-целюлозного комплексу.
- Змішані – комбінації різних типів відходів (наприклад, гній + рослинні залишки) для балансу поживних речовин.
Невідповідні відходи – це пластики, скло, метали, адже вони не розкладаються бактеріями. Пластик взагалі практично не розпадається, що вважається дуже великою проблемою для планети. Також не підійдуть будь-які токсичні матеріали – фарби, розчинники, пестициди, адже вони вбивають мікрофлору. Кістки та раковини – теж не варіант, тому що вони містять мало органіки та уповільнюють процес.
Важливо – для запобігання закисленню реактора до сировини додають буферні речовини (крейда, сода), а також стежать за рівнем pH (оптимально 6.8–7.5).
Скільки біогазу виготовляється з 1 кг харчових відходів?
Вихід біогазу залежить від типу сировини, вологості, температури та тривалості ферментації.
Овочі та фрукти – 0.08-0.12 м³/кг. Висока вологість (70-90%) прискорює розкладання, але знижує концентрацію сухих речовин. М’ясні та рибні відходи – 0.15-0.25 м³/кг. Вони багаті на білки і жири, які дають більше метану, але вимагають контролю сірководню. Хліб та крупи – 0.20-0.30 м³/кг. Відмічається високий вміст вуглеводів, що забезпечує швидкий пік газовиділення.
Порівняння з іншими матеріалами:
- коров’ячий гній: 0.03-0.06 м³/кг. Низький вихід через високий вміст клітковини;
- силос кукурудзи: 0.20-0.25 м³/кг. Лідер серед енергетичних культур;
- жири та олії: 0.50-0.90 м³/кг. Максимальний вихід, але є ризик утворення плаваючої кірки в реакторі.
Наприклад, з 1 тонни змішаних харчових відходів можна отримати 80-120 м³ біогазу, що еквівалентно 50-75 л бензину за енергетичною цінністю.
Технології виробництва біогазу
1. Анаеробні реактори
Мішалки забезпечують рівномірне перемішування сировини. Підігрів допомагає підтримувати температуру 35-55°C (мезофільний або термофільний режим). Використовуються газгольдери – резервуари для збирання та зберігання біогазу характерної форми.
2. Двоступінчасте зброджування
Мається на увазі поділ процесу на стадії:
- гідроліз та кислотогенез – розкладання складної органіки на леткі жирні кислоти;
- ацетогенез та метаногенез, тобто перетворення кислот на метан.
Двоступінчастий підхід збільшує вихід газу на 20-30%.
3. Сучасні інновації
Мікробні паливні елементи, тобто використання електрогенних бактерій для одночасної генерації газу та електроенергії. Також практикується додавання водню – впровадження H₂ в реактор збільшує частку метану за рахунок реакції гідрогенотрофних архей: CO2+4H2→CH4+2H2OCO2+4H2→CH4+2H2O.
Чинники, що впливають на ефективність
Насамперед, це температура – термофільний режим (50-55°C) прискорює процес, але потребує більше енергії. Час перебування теж має значення – оптимально 15-30 днів для харчових відходів і до 90 днів для соломи.
Співвідношення C/N: ідеальний діапазон – 20-30:1. При надлишку азоту (C/N<15) виділяється аміак, токсичний для бактерій.
Практичне застосування біогазу
Когенераційні установки перетворюють біогаз на енергію з ККД до 85%. Після очищення від CO₂ та H₂S біогаз можна закачувати до газових мереж або використовувати як паливо для автотранспорту. Перебродивший субстрат (дигестат) багатий азотом, фосфором і калієм, тобто його можна застосовувати як добрива.
Біогаз як елемент сталого розвитку
Виробництво біогазу – це спосіб утилізації відходів та важливий крок до енергетичної незалежності. Використовуючи харчові відходи, гній та сільськогосподарські залишки, можна скоротити викиди метану на звалищах, замістити викопне паливо та отримати екологічні добрива. Технології продовжують розвиватись: впровадження штучного інтелекту для контролю процесів та генна інженерія бактерій відкривають нові горизонти. Вже сьогодні біогазові установки стають невід’ємною частиною розумних міст та агрохолдингів, демонструючи, що майбутнє енергетики – у гармонії із природою.
