СОЛНЕЧНАЯ БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА. ЧАСТЬ III

При работе солнечной биогазовой установки только летом, зимой можно создавать значительные запасы навоза. Используя его летом вместе с отходами овощеводства и растениеводства можно бесперебойно готовить однородную органическую массу для ферментации — обеспечивая максимальную эффективность работы.

Подогретая в зазоре 14 реактора вода весной может использоваться для полива в теплицах и парниках, обеспечивая поддержание в них приемлемой температуры не только воздуха но и грунта, т.к., например, в мае естественная средняя месячная температура почвы на юге Омской области на глубине 0,4 составляет 8,7 ⁰С, на глубине 0,8 м — 5,1 ⁰С, а на глубине 1,6 м — всего 0,9 ⁰С.

Зимой реактор 1, после очистки от шлама, можно использовать для резервного хранения биометана, пропана, бутана или природного газа.

При выработке биогаза насущной задачей является поиск оптимизации режимов — наилучшего режима без дополнительных текущих затрат.

В общем случае, комплексная задача является, многокритериальной и мультимодальной. Обычно в качестве наиболее общего критерия оптимизации выступают ежегодные издержки, которые зависят главным образом от характера и технологического процесса, от расхода энергии. В случае оптимизации режима установки за какой-то период времени критерием являются общий расход (потери) энергии. Тогда целевая функция имеет вид:

где – расход энергии в -м элементе (технологическом переделе) установки за рассматриваемый период; – количество элементов установки.

В общем виде расход энергии складывается из следующих составляющих:

где – затраты энергии на сбор и перевозку к биореактору органических отходов (биомассы); – затраты энергии на переработку (измельчение) биомассы (сбор, перевозка и переработка отходов растениеводства требует большой затраты энергии. Отходы животноводства требует меньших затрат энергии по этим составляющим); – затраты энергии на подачу сырья в биореактор (устойчивый метаногенез может быть осуществлен только при равномерной подаче однородного субстрата); – потери тепловой энергии из биореактора; затраты энергии на перемешивание субстрата; – затраты энергии на очистку реактора от шлама, удобрения и биогаза до биометана; – затраты энергии на организацию хранения биометана.

Основным критерием оптимизации режима для конкретного момента времени выступают потери теплоты из биореактора. В этом случае:

где – потери теплоты в -м элементе биореактора за рассматриваемый период времени; – количество элементов установки.

Оптимальный режим реализуется различными путями и приведен выше.

Для осуществления стабильного режима ферментации (сбраживания) необходимо выполнение следующего энергетического неравенства:

где – количество теплоты с температурой выше температуры термофильного режима, которой располагает рассол солнечного соляного пруда в промежуток времени , Дж; – количество теплоты с температурой термофильного режима потребляемой реактором в промежуток времени , Дж.

В свою очередь потребность реактора в теплоте для поддержания в нем температуры термофильного режима представляет собой уравнение теплового баланса следующего вида:

где – количество теплоты, необходимой для нагрева поступающего сырья до температуры ферментации в промежуток времени , Дж; – количество теплоты, уносимой прокачиваемой через зазор между корпусом теплового коллектора и реактором, водой, для ограничения верхней температуры термофильного режима в промежуток времени , Дж; – потери теплоты, с температурой ферментации, уносимой из реактора влажным биогазом в промежуток времени , Дж; – количество экзотермической теплоты, выделяющейся при ферментации в промежуток времени , Дж.

где – масса поступающего в реактор сырья, кг; – удельная теплоемкость поступающего сырья, Дж/(кг∙К); – температура ферментации, ⁰С; – температура поступающего в реактор сырья, ⁰С.

где – масса воды, прокачиваемой через зазор, кг; – удельная теплоемкость воды, Дж/(кг∙К); – температура входящей в зазор воды, ⁰С; – температура выходящей из зазора воды, ⁰С.

где – массовый выход влажного биогаза, кг/с; – удельная теплоемкость биогаза при постоянном давлении, кДж/(кг∙К); – температура наружного воздуха, ⁰С; – теплота испарения воды, кДж/кг; – абсолютная влажность биогаза, кг воды/ кг биогаза.

По данным [3] при ферментации выделяется примерно 1,5 МДж теплоты ( на 1 кг сухой массы сбраживаемого сырья, т.е. примерно 25 кДж/моль С6Н10О5.

Из приведенных зависимостей следует, что потребности в теплоте биореактора могут меняться в течение времени в широких пределах. Поэтому с учетом стохастического поступления в пруд солнечной энергии, для безусловного выполнения (в любой промежуток времени) необходимо обеспечить для этого запас теплоты за счет поддержания температуры рассола пруда в пределах 80 – 85 ⁰С, с отключением других источников потребления теплоты, при понижении его температуры, например, ниже 70 – 75 ⁰С.

Как видно из рассмотренных математических зависимостей потребности в теплоте при выработке биогаза при понижении температуры рассола пруда уменьшаются за счет уменьшения . Однако это уменьшение будет незначительным. Следовательно, данная биогазовая установка должна эксплуатироваться, используя энергию пруда, вместе с другими системами, которые при пасмурной погоде и дождях резко уменьшают потребление тепловой энергии из пруда. Это может быть система солнечного холодоснабжения или гелиоводомет [1].

Использование в технологическом производстве биогаза солнечной энергии позволяет обеспечить его летнее и осеннее производство с наибольшей эффективностью, что особенно важно в районах, отрезанных от крупных энергетических центров из-за разлива рек, бездорожья и т.д. Биогазовая отрасль может занять подобающее ей место, поскольку будет также обеспечивать, за счет вырабатываемого удобрения подержание плодородия почв, предотвращать свободную эмиссию биометана в атмосферу.

Стоимость биометана зависит от многих факторов, включая продажи «побочных» продуктов. Самую значительную прибавку к прибыли от продажи биометана можно получать от реализации жидких удобрений, поскольку это высоколиквидная продукция, пользующая постоянным спросом. Спрос на удобрения есть всегда, поскольку необходимым фактором функционирования аграрной биосистемы является баланс между внесением в почву и выносом из неё энергии в виде питательных веществ: внесение их должно быть не менее выноса.

По данным Х.З. Барабанер [6] сейчас в среднем за год гектар пашни получает (получал) 48 – 50 кг минеральных удобрений и 5,0 – 5,6 т навоза: что соответствует внесению — 11624078 МДж, а вынос всем биологическим урожаем — в 7 раз больше. Если же учесть, что органическая масса корневой системы, стерни и часть стеблей остаются в почве, то разница сокращается с 7 до 3,5 – 4 раз. Нельзя не учитывать и способности бобовых культур фиксировать биологический азот в почве (люцерна — 300, клевер — 200, кормовые бобы — 100, соя — 80, люпин — 70 кг/га), что позволяет снизить указанную разницу с 3,5 – 4 до 2,0 – 2,5 раз. Эта разница и определяет пределы необходимого сбалансирования выноса и внесения в почву питательных веществ. В связи с тем, что удельная энергоемкость навоза на порядок ниже минеральных удобрений, максимизация его внесения неразрывно связана с оптимизацией насыщенности сельских хозяйств животноводством. Для сохранения плодородия почвы необходимо иметь 74 условные головы крупного рогатого скота на 100 га пашни.

Исходя из такой потребности в удобрениях, приводим краткий перечень органических отходов различных производств, пригодных для выработки биогаза (биометана) и удобрений: зерновая и меласная после спиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом (при производстве сахара из свеклы отходы и побочные продукты составляю 85 – 88 % веса сырья), отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки). А также трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов — соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизельного топлива — технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков — жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки — мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов— очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа [7].

В таблице 1 приведена возможная выработка биогаза при переработке подобного биотоплива.

Как альтернатива в безлесных местностях, где нет ни торфяников, ни каменного угля, печи топят кизяком — высушенными на воздухе плитками из навоза и соломы. По внешнему виду, химическому составу, способности рассыпаться в сухом виде, кизяк сходен с торфом низких сортов. Как, и торф, кизяк содержит много влаги. Его рекомендуется сжигать в таких же топливниках, что и торф. В настоящее время он также относится к одному из видов ВИЭ — «другая биомасса».

Поэтому важную роль при сравнении рынка биометана играет потенциал рынка — максимальная его емкость при наибольшей активности предприятий-производителей биометана и благоприятной для продаж конъюнктуре. Сравнение, вносит ясность относительно возможностей расширения рынка, привлекательности биометана для бизнеса.

При оценке потенциала местного рынка можно использовать индекс покупательной способности:

где – покупательная способность потребителя биометана -го региона, % от региональной; – располагаемый доход потребителей биометана -й местности, % от регионального (уровень дохода, получаемого потребителями местности, представляющий собой общий фонд покупательной способности биометана, воспользоваться которым стремятся все производители биометана; чем больше этот общий фонд, тем выше потенциал местности); – требования (запросы) потребителей, т.е. объем продаж в -й местности, % от регионального; – потребители, использующие биометан и располагающиеся в -й местности, % (основной фактор, объясняющий различия в потенциалах сбыта биометана); – уровень конкуренции; численные коэффициенты — веса факторов, определенные для каждого рынка биометана.

Критерием экономической целесообразности использования биометана может служить величина расходов, связанных с производством биогаза, очисткой его до биометана, а также дефицитность природного газа. Применение биометана будет экономически целесообразно для потребителя при соблюдении неравенства

руб

где — общий объем природного газа, подлежащего расходу по нормам, м3; — объем биометана, расходуемого вместо природного газа, м3; — цена природного газа, руб./м3; — цена биометана, руб./м3; — объем природного газа, расходуемого совместно с биометаном, м3.

Потребление, а значит и выработку биометана для уменьшения расходов на его хранение необходимо прогнозировать. Однако потребление биометана особенно отдельным потребителем не будет постоянным, а изменяется в зависимости от характера производственной деятельности, быта, состояния погоды и т.д. Кроме случайных колебаний существуют закономерные циклические изменения потребление топлива, обусловленные периодической трудовой деятельность людей и сезонной цикличностью связанной с изменением времени года. Включение отдельных потребителей, особенно в жилых районах населенного пункта носит случайный характер, особенно при малом числе потребителей, поэтому их (мелких производителей биометана) необходимо объединять в одну сеть.

Для таких объединений характерно, что свойства отдельных элементов, их образующих, не определяют свойства объединения в целом.

Разноплановые потребители образуют систему с устойчивым во времени потреблением газа.

Математическая формулировка задачи прогнозирования потребления биометана такими потребителями может быть представлена в виде:

где – относительная ошибка прогнозного значения; , – фактическое и прогнозное значения суммарного потребления биометана из объединенной сети.

Как видим, разработано и разрабатывается множество способов чистого получения электрической и тепловой энергии. Постепенно формируется выбор наиболее надежных и доступных способов [9]

Для муниципального образования при оценке экономической эффективности использования биометана необходимо учитывать также создание новых рабочих мест, выработку удобрений и т.д., а для страны — сохранение запасов природного газа в недрах, отсутствие эмиссии биометана.

В свою очередь алгоритм оценки эколого-экономического эффекта использования удобрения, полученного при производстве биогаза, по сравнению с удобрением, полученным при компостировании растительной биомассы и навоза, должен учитывать балансы процессов связанных с поглощением кислорода при брожении навоза в буртах и выделением кислорода бурно растущей культурой после внесения удобрения.

При анаэробном процессе в биореакторе отсутствует поглощение кислорода атмосферы. А внесение удобрения способствует повышению роста растений, и, следовательно, повышению образования кислорода.

Следовательно, при анаэробной переработке органических отходов и использовании полученных из них удобрений однозначно баланс по поступлению кислорода в воздух положительный.

Аэробное сбраживание при компостировании осуществляется за счет использования атмосферного кислорода. Внесение удобрения, способствующее повышению роста растений, обеспечивает возврат использованного кислорода. Поэтому аэробный процесс можно считать в лучшем случае нейтральным с точки зрения воспроизводства (возобновления) кислорода, при условии использовании удобрений по назначению.

Как видим, мировой опыт внедрения энергетики ВМЭ достаточно богат. Удастся ли России ответить на вызовы, которые предъявляет сегодня мировая экономика? Особенно учитывая предельно жестокую мировую конкуренцию и борьбу за ресурсы? Без преувеличения, от решения этой задачи зависит будущее нашей страны. 

Источник -href="http://www.ecotoc.ru/biogas/biogas_plants/d874/">СОЛНЕЧНАЯ БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА.