Аналитично проучване на потенциала на територията на миг-кнежа за производство на енергия от възобновяеми енергийни източници (веи) с цел еко-съобразна експлоатация на налични и остатъчни ресурси в работата на селските стопанства”

Производството на биогаз чрез анаеробно разграждане (анаеробна ферментация) се разглежда като оптимален метод за обработка на течен и твърд оборски тор, както и за широк спектър от подходящи органични отпадъци, тъй като преобразува този вид субстрати във възобновяема енергия и органичен тор, подходящ за употреба в селското стопанство.

Анаеробното разграждане е микробиологичен процес на разграждане на органична материя в отсъствие на кислород, и е характерно за много естествени среди. В днешно време, анаеробното разграждане намира приложение предимно за производство на биогаз в херметични реактори-резервоари, наричани обикновено биореактори или метантанкове. В анаеробния процес са въвлечени широк спектър микроорганизми, като основните крайни продукти от тяхната дейност са биогаз и вторична биомаса. Биогазът е запалим газ, съдържащ метан, въглероден диоксид и малки количества други газове. Вторичната биомаса е преработен субстрат, богат на хранителни вещества, поради което може да се използва за подхранване на растенията.

Производството и оползотворяването на получения биогаз е документирано за пръв път в Обединеното Кралство през 1895 г. (Metcalf и Eddy, 1979 г.). В последствие, процесът е бил доразработван и широко прилаган с цел обработка на отпадъчни води и за стабилизация на утайка. Енергийната криза през 70-те години на ХХ век подтиква към ново разбиране относно употребата на възобновяеми горива, в това число и биогаз, получен чрез анаеробно разграждане. В последно време, интересът към биогаза все повече нараства поради глобалните усилия за заместване на изкопаемите горива с възобновяеми, както и поради необходимостта да се намерят устойчиви за околната среда решения за обработка и рециклиране на оборски тор и органични отпадъци.

Инсталациите за производство на биогаз чрез анаеробно разграждане, обработващи селскостопански субстрати, като течен и твърд оборски тор, растителни отпадъци, енергийни култури, органични остатъци от селскостопанската и хранителната индустрия, са някои от най-важните приложения на анаеробното разграждане в днешни дни. По данни на международната агенция по енергетика (МАЕ), няколко хиляди са работещите селскостопански инсталации за производство на биогаз в Европа и Северна Америка, като само в Германия те са повече от 3 700 (данни за 2007 г.).

Производството на биогаз чрез метаногенеза е приоритет на европейската политика за биогорива и възобновяема енергия, тъй като биогазът представлява евтин и CO2-неутрален източник на възобновяема енергия, който дава възможност за обработка и рециклиране на широка гама от селскостопански отпадъци и субпродукти по устойчив и безвреден за околната среда начин. В същото време производството на Биогаз води до редица социално-икономически ползи за обществото като цяло, както и за самите производители.

Установено е, че Европа разполага със значителен потенциал за производство на биогаз, базиращ се на селскостопански суровини. След разширяването на Европейският съюз (ЕС), новите страни-членки от Източна Европа са длъжни да оползотворят биогазовия си потенциал, както и да извлекат ползи от производството на биогаз. Прилагането на технологиите, базирани на анаеробно разграждане в тези страни ще доведе до смекчаване на глобалните проблеми, водещи до замърсяване на околната среда и освен това ще допринесе за повишаване на устойчивото развитие на селските райони и като цяло за развитието на селскостопанския сектор.

Производството и използването на биогаз от анаеробното разграждане на органични отпадъци води до редица ползи за околната среда, социално-икономически ползи за обществото и за участващите фермери. Използването на веригата вътрешни активи за производството на биогаз повишава локалните икономически възможности, създава работни места в селските области и повишава обезпечаването с регионални мощности. Подобрява се жизнения стандарт и се допринася за икономическото и общественото развитие.

Оценката на потенциала за производство на биогаз в Европа е предизвикателство поради големия брой фактори и допускания, които трябва да се включат в пресмятанията. Например, потенциалът за производство на биогаз зависи от наличието на подходящи селскостопански земи, за да не се намали производството на храна, от продуктивността на посевите, от ефективността на метаногенезата, от енергийната ефективност на крайното потребление на биогаз и т.н. Немският институт за енергия и околна среда твърди, че потенциалът за производство на биогаз в Европа е достатъчно висок, за да бъде осъществено пълно заместване на природния газ чрез вкарването на пречистен биогаз (биометан) в мрежата за природен газ.

Понастоящем Германия, Австрия, Дания и Швеция са сред пионерите в европейския сектор за производство на биогаз с най-голям брой модерни инсталации.

Голям брой инсталации за биогаз са в експлоатация и в другите части на света. В Китай до 2006 г. са регистрирани 18 милиона провинциални биореактори за производство на биогаз за бита, а общият потенциал за производство на биогаз в Китай се оценява на 145 млрд. кубически метри. В Индия, в експлоатация са около 5 милиона малко-мащабни инсталации за биогаз. В други държави, като Непал и Виетнам също функционират значителен брой инсталации за биогаз. Повечето инсталации за биогаз в Азия използват лесни технологии и поради това са прости за проектиране и разпространение. От другата страна на Атлантическия океан, САЩ, Канада и много Латиноамерикански страни са по пътя на развитието на модерен сектор за производство на биогаз поради прилагането на благоприятна политическа рамка, стимулираща иновациите в този сектор. Големият брой съществуващи инсталации за биогаз в различни страни доказва, че технологиите за производство на биогаз са устойчиви и икономически надеждни.

Производството на биогаз се използва широко от модерното общество за обработка на отпадъците от животновъдството (твърд и течен оборски тор) за производство на възобновяема енергия и за подобряване на наторяващите качества на оборския тор.

В страни с голяма селскостопанска продукция все по-стриктните разпоредби по отношение на съхранението на оборския тор и растителните отпадъци и тяхното рециклиране водят до повишен интерес към производството на биогаз. Последните разработки показват също и нарастващ интерес сред фермерите за отглеждане на енергийни култури, годни за използване като суровина за производство на биогаз.

Технологиите за производство на биогаз са най-често използваните технологии за стабилизиране на първични и вторични утайки от пречиствателните станции, обработка на отпадни води от производството на биомаси, хранителната, пивоварната и др. промишлености, както и за третиране на органични фракции от твърдите битови отпадъци. Специално приложение е оползотворяването на биогаза от сметищата.

Течният и твърдият тор от едрия рогат добитък и свинете са основна суровина за повечето селскостопански инсталации за биогаз, но се наблюдава тенденция през последните години на нарастване на броят на инсталациите, работещи с енергийни култури. Пресният тор и другите органични отпадъци обикновено се използват като органичен тор, но преминали през процеса на метаногенезата тяхната наторяваща способност се подобрява като:

• течния и твърдия тор от различни животни (напр. едър рогат добитък, свине, домашни птици) се смесват в един и същи биореактор, доставяйки по-балансиран състав на хранителните вещества;

• в хода на ферментационния процес сложните органични вещества се разграждат и се повишава количеството на достъпните хранителни компоненти;

• съвместното ферментиране на тор с други субстрати (като отпадъци от кланици, остатъци от мас и масла, битови отпадъци, растителни отпадъци и т.н.) увеличава количеството на хранителните вещества в сместа.

Според техният относителен размер, функция и разположение, съществуват три основни категории селскостопански инсталации за производство на биогаз:

- фамилни инсталации за биогаз (малки)

- фермерски инсталации за биогаз (средни до големи)

- централизирани ко-ферментационни инсталации за биогаз със съвместно участие (средни до големи).

Фермерски инсталации за биогаз

Напоследък, интереса на фермерите към производството на биогаз нараства. То създава нови бизнес възможности за тях, намалява отпадъците им и произвежда висококачествен тор. Има различни видове инсталации за биогаз от тип фермерски по света. В Европа, страни като Германия, Австрия и Дания са сред пионерите, ползващи такъв тип инсталации.

Инсталацията за биогаз от фермерски тип обслужва само една ферма, като третира всички органични отпадъци, генерирани в нея. Много инсталации за биогаз използват ко-ферментацията с добавяне на малки количества високоенергийни субстрати (маслени отпадъци от рибната промишленост, маслени растителни остатъци и др.) с цел повишаване на добива на биогаз. Възможно е инсталация за биогаз от фермерски тип да получава и преработва течни торове от една или две съседни ферми (напр. чрез тръбопроводи, свързващи тези ферми с инсталацията за биогаз).

Инсталациите за биогаз от фермерски тип имат различни проектни размери и произвеждат биогаз по различни технологии. Някои са много малки и технологично прости, докато други са много големи и сложни, подобни на централизираните инсталации за ко-ферментация. Въпреки тези различия, всички те имат общ принцип на работа: тора се събира в подготвителен резервоар (непосредствено до биореактора), и се изпомпва в биореактора, който е херметичен резервоар, направен от стомана или бетон и е топлоизолиран, за да поддържа постоянна температурата на процеса (мезофилен режим, при около 35°C или термофилен режим при около 55°C).

Биореакторите могат да бъдат хоризонтални или вертикални. Обикновено, те имат система за разбъркване, която осъществява смесването и хомогенизирането на субстрата и с това намалява риска от разслояване на субстрата и образуване на утайки.

Разбъркването гарантира и по-доброто снабдяване на микроорганизмите с необходимите им хранителни вещества. Средното хидравлично време на престой е обикновено между 20 и 40 дни, в зависимост от типа на субстрата и температурата на ферментацията.

Вторичната биомаса се използва за наторяване във фермата, а излишъкът се продава на фермерите, занимаващи се с растениевъдство. Произведеният биогаз се използва за производство на електричество и топлина. Около 10 до 30% от произведената топлина и електричество се използва за експлоатация на инсталацията за биогаз и за местни нужди на фермера, а излишъкът се продава на енергийните компании и на близките консуматори на топлинна енергия.

Централизирани (съвместни) инсталации за ко-ферментация

Централизираното ко-ферментиране е концепция за производство на биогаз, основана на използването на оборски тор и течни фракции, събирани от няколко съседни ферми. Централизираните инсталации за биогаз се строят с цел намаляване на разходите, времето и работната сила за транспортиране на тора към нея. Към органичния тор могат да бъдат подадени различни видове подходящи за биометанизация суровини, като ферментируеми отпадъци от селското стопанство, от хранителната и рибната промишленост, от домакинствата и ресторантьорството, от пречиствателните станции и други. Централизираните инсталации за съвместна ферментация (наречени също комбинирани инсталации за ко-ферментация) са разработени и широко прилагани в Дания (Фиг. 4.8), както и в други области на света с интензивно животновъдството.

Оборският тор, както и неговите разтвори се събират в резервоарите за предварително съхранение във всяка ферма и след това се транспортират до инсталацията за биогаз в специални товарни автомобили с вакуумни контейнери. В инсталацията за биогаз, те се смесват с други ко-субстрати, хомогенизират се и се изпомпват в резервоара на биореактора. Операторът на инсталацията за биогаз е отговорен за събирането и транспорта на пресния тор от фермите до инсталацията и на вторичната биомаса от инсталацията до фермите. Вторичната биомаса се транспортира директно към площите за наторяване или към съоръженията за съхранение, които, най-често, са общи за фермите в областта.

Ферментационният процес се извършва при мезофилен или термофилен режим и хидравличното време на престой е 12-25 дни. Контролирано хигиенизиране на проблемния субстрат се извършва преди ферментацията, за да се осигури ефективно намаляване на патогените и семената на плевелите и да осигури безопасно последващо използване на вторичната биомаса като тор.

Системата за подаване на суровина работи непрекъснато като биомасата се изпомпва към и от биореакторите в равни количества чрез контролирана работа на помпите. Вторичната биомаса, изпомпвана от биореактора, се препраща по тръбопроводи до резервоарите за съхранение. В много случаи, резервоарите са покрити със здрава мембрана, където се събира допълнително произведеният биогаз (до 15% от общото количество). Този биогаз се събира заедно с произведеният в биореактора. Вторичната биомаса се анализира, определят се хранителните й свойства (сухо вещество, летливи вещества, N, P, K, pH) и се транспортира обратно до фермерите, доставчици на свежа биомаса. Фермерите приемат обратно само това количество вторична биомаса за наторяване на техните полета, което им е позволено по закон. Излишъкът се продава като тор на фермерите, зърнопроизводители в близките райони. Във всички случаи, вторичната биомаса се вписва в плана за наторяване на всяка ферма, замествайки минералните торове. По този начин, производството на биогаз е част от затворен кръг за рециклиране на хранителните вещества. Много централизирани инсталации са съоръжени с инсталации за сепариране на вторичната биомаса на течна и твърда фракции.

Централизираната ко-ферментация представлява интегрирана система за производство на възобновяема енергия, обработка на органични отпадъци и рециклиране на хранителни вещества. Тя генерира следните ползи в областта на селското стопанство, околната среда и семейните финанси на фермерите, операторите на инсталации и обществото:

• евтино и безопасно за околната среда рециклиране на оборския тор и органичните отпадъци;

• производство на възобновяема енергия;

• намаляване на емисиите на парникови газове;

• подобряване на санитарната безопасност;

• подобряване на ефективността на наторяването;

• намаляване на емисиите на лоши миризми и на инвазията на насекоми.

Повечето централизирани ко-ферментационни инсталации са организирани като кооперативни компании. Обикновено, тези компании имат борд на директорите, отговорен за управлението на инсталацията, за назначаването на необходимия персонал и за сключването на всички икономически и юридически споразумения по отношение на изграждането на инсталацията, захранването й със суровини, разпределянето/ преразпределянето на изходящия тор, продаването на енергия и всички останали финансови операции. В Дания, кооперативната компания се е доказала като икономически съобразна и функционална организационна структура.
Използване на биогаз

Биогазът има редица приложения в енергетиката, в зависимост от естеството на източника и местните нужди от специфични форми на енергия. Най-общо, биогазът може да бъде използван за производство на топлина чрез директно изгаряне, производство на електричество чрез горивни клетки или микротурбини, комбинирано производство на топло- и електроенергия (CHP) или като транспортно гориво.

Най-простият начин за използване на биогаза, произвеждан в малки семейни биореактори е директното му изгаряне в бойлери и горелки. Този подход е широко използван в развиващите се страни.

Обикновено, в развитите страни биогаза се изгаря в горелки за природен газ. Биогазът може да бъде изгарян за получаване на топлина на мястото на неговото производство, или да бъде транспортиран по тръбопроводи до крайните потребители. За целите на отоплението, биогазът не се нуждае от очистване, за разлика от другите му приложения, където трябва да бъде подложен на кондензация и очистване от механични частици, компресия, охлаждане и дехидратиране.

Най-ефективното използване на биогаза е комбинираното производство на топлина и електрическа енергия. Преди използването на биогаза за комбинирано производство, той се дренира и изсушава. Повечето двигатели имат граници за максимално съдържание на сероводород, халогенни въглеводороди и силоксан в биогаза. Базовите мотор-генераторни комбинирани енергийни инсталации имат ефективност до 90%. Съотношението на произведената енергия е 35% електричество и 65% топлина.

Най-разпространените приложения на комбинираните инсталации са топлоелектрическите централи (ТЕЦ) от блоков тип, с двигател с вътрешно горене, за задвижване на генератор. Генераторите, обикновено, са с постоянни обороти (1500 об / мин), съвместими с честотата на енергийната система. Двигателите могат да бъдат: газови на Ото, газо-дизелови и двигатели с пилотно инжектиране. И дизеловите, и газовите двигатели на Ото работят без запалване с горивно масло, съобразно принципа на Ото. Разликата на тези двигатели е само в степента на компресията. Поради това, тези двигатели ще бъдат наричани газови двигатели на Ото до края на текста. Алтернативи на електроцентралите от блоков тип, споменати по-горе, са микро-газовите турбини, двигателите на Стирлинг и горивните клетки.

Произвежданата от биогаз електроенергия може да се използва като работна енергия за задвижване на помпи, управляващи системи и други. В много страни с високи преференциални тарифи за получаване и използване на възобновяема електроенергия, цялата произведена електроенергия се продава на националната електрическа мрежа, а след това закупува само необходимата за експлоатация на биореактора енергия.

Важен въпрос за енергийната и икономическата ефективност на централата за производство на биогаз е използването на произведената топлина. Обикновено, част от топлината се използва за подгряване на биореактора, а приблизително две трети от цялата произведена енергия може да се използва за външни нужди. Много централи на биогаз в страни като Германия са създадени изключително за целите на електропроизводството, без използване на топлината. Днес, използването на топлината е задължително за постигане на по - добра икономическа ефективност. Търговските цени (напр. за зърно) се повишават и за много централи продажбата на генерираното електричеството само по себе си не е достатъчно за тяхната икономическата целесъобразност. Новосъздадените биогазови инсталации, по тази причина, трябва винаги да включват в общия си проект използването на топлината.

Произведената от биогаз топлина може да бъде използвана в промишлените процеси, селскостопанската дейност или за отопление на сгради. Най-подходящ потребител на топлина е промишлеността, тъй като нуждите й са постоянни през цялата година. Качеството на топлината (температурата) е важен аспект за промишленото й приложение. Използването на биогаз за битови нужди и отопление на сгради (малки мрежи или районно отопление) е друга възможност, въпреки че това приложение има ниска консумация през лятото и висока приз зимата. Топлината от биогаза може, също, да бъде използвана за изсушаване на зърнени култури, талаш или за сепариране на вторичната биомаса. Топлината може да бъде използвана, също така, в системи, съчетаващи процеса отопление-охлаждане. Този процес е познат от хладилниците и се използва за охлаждане на складовете за храни или за климатици.

Производство на биогаз – технология за управление на органични торове и фракции

Интензификацията на скотовъдството доведе до ситуации, при които животновъдните ферми нямат достатъчно земя за производство на необходимите им суровини, както и за използване на получените торове и органични фракции. Това води до излишък на животински торове в някои области. Изисква се задължително управление на тези торове, за да се предотвратят сериозните последствия като:

- замърсяване на подпочвените и повърхностните води от изтичания на дренажи, богати на биогенни вещества;

- увреждане на структурата на почвата;

- унищожаване на естествената растителност и формиране на типична “торна растителност”;

- големи емисии на метан и амоняк;

- разпространение на насекоми и миризми;

- риск от разпространение на патогени.

Производството на биогаз предоставя решения на горните проблеми чрез технологии за обработка и управление на органичните торове, позволяващи цялостни и полезни за околната среда селскостопански практики.

Определяне на размера на инсталации, използващи като суровина селскостопански отпадъци.

Животинският тор и енергийните култури са между най-широко разпространените отпадъци от ферми, използвани като суровини за селскостопанските инсталации за биогаз.

За да се определи големината на инсталацията, включително производството на електрическа енергия, е нужно да се вземат предвид наличните суровини.

Пример за изчисляване на размера/мощността на биогазова инсталация, преработваща оборски тор: Трябва да се определи денонощното количество на оборския тор, който ще се преработва (m³/ден). Трябва да се знае какво е съдържанието на твърдата фаза в оборския тор/разтворите (сухо вещество %)

Ако съдържанието на сухо вещество в оборския тор/разтворите е 9-10%, потенциалната електрическа мощност се получава при умножаването на денонощното количество оборски тор/разтвори с 2.4 kWeldm-³.

Ферма, притежаваща 200 млекодайни крави ще произвежда около 10 m³/денонощие кравешки тор и разтвори със съдържание на сухо вещество 10%.

Електрическата мощност на инсталацията изчислена по формулата ще бъде: 10 m3d-1 x 2,4 kWeldm-³ = 24 kWel

Наличната площ за обработване (царевица, трева) трябва да бъде дефинирана в хектари (ha) Потенциално възможната електрическа мощност на хектар, на година (kWel ha-1 year-1) е оценена на база качеството на почвата и атмосферните условия.

Имайки предвид, че от всеки хектар може да се произведе 2.5 kWel електрическа мощност годишно, при умножаването на площта за култивиране с 2.5 kWelha-1 се получава електрическата мощност: 200 ha x 2.5 kWelha-1 = 500 kWel

При събиране на получените резултати за енергийните култури и оборски тор се получава потенциално възможното произведено количество електроенергия на бъдещата инсталация за биогаз.

Успешното планиране на проект за биогазова инсталация включва в себе си и разработване на система за снабдяване със суровини. Съществуват схеми с един снабдител и с множество снабдители.

1. Един снабдител (ферми, производители на органични отпадъци), разполагащ с достатъчно тор, органични отпадъци, селскостопанска земя или всичко това, за да осигури необходимото количество суровина за работа на инсталацията за биогаз.

2. Множество снабдители (по-малки ферми, производители на органични отпадъци), работещи заедно в консорциум (кооперативни компании, градски дружества) за изграждане, експлоатация и снабдяване със суровини на инсталацията за биогаз.

И в двата случая е важно да се осигури постоянно и дългосрочно снабдяване с необходимите суровини. Това е значително по-лесно, когато снабдителят е самостоятелна ферма със съответните й обработваеми площи. В случай на работа в консорциум, всеки снабдител/собственик трябва да подпише дългосрочен договор, съдържащ най-малко следните клаузи:

• продължителност на договора;

• гарантирано количество суровини или площ за обработване;

• гарантирано качество на доставяната биомаса;

• плащания според качеството и количеството на доставяните суровини.

Втората стъпка при планирането на инсталацията за биогаз е да се определи подходящо място за изграждането й. Изброените по-долу фактори са важни и трябва да бъдат взети предвид преди избора на място за строеж на бъдещата инсталация за биогаз:

• Подходящата площадка за строеж трябва да се намира на достатъчно разстояние от жилищните зони, за да се избегнат неудобства, нарушения на обществения ред и последващи конфликти, заради повишения трафик от и към инсталацията за биогаз.

• Трябва да се вземе предвид посоката на преобладаващите ветрове, за да се избегне възможността за разнасяне на миризми към жилищните зони.

• Площадката трябва да има лесен достъп до електропреносната мрежа, за да се

улесни продажбата на произведеното електричество, а също така и до транспортната структура, за да се улесни транспорта на суровините и вторичната биомаса.

• Терена трябва да бъде изследван преди началото на изграждане на инсталацията.

• Избраната площадка трябва да се намира на място, което не е застрашено от наводнения.

• Площадката трябва да бъде относително близо (централно) до източника на селскостопанските суровини (тор, разтвори, енергийни култури) с цел да се намалят разстоянието, времето и разходите за транспорт на суровините.

• За по-висока икономическа ефективност, инсталацията за биогаз трябва да бъде разположена максимално близо до потенциалните купувачи на произведената топлинна енергия. Също така, други потенциални потребители на топлинна енергия като различни видове производства, парници и т.н., могат да бъдат разположени по-близо до площадката на инсталацията за биогаз.

• Размерът на площадката трябва да бъде подходящ за изпълняване на производствените нужди и за снабдяване с биомаса.