В зависимости от специфических промышленных требований биогаз можно использовать различными способами: в теплоустановках, в газогенераторах для одновременного получения тепловой и электрической энергии; подавать в газовые сети для коммунальных и бытовых нужд; сжимать для последующего хранения в газгольдерах. При подаче биогаза в коммунальные газовые сети необходимо проведение осушки и очистки газа, что увеличивает капитальные затраты по биогазовой технологии.
ТБО можно рассматривать как значительный потенциальный источник получения биогаза. Процесс начинается в верхних слоях складируемы отходов в аэробных условиях за счёт кислорода, содержащегося в пустотах и проникающего из атмосферы. Биогаз при этом не образуется. При дальнейшем наращивании слоёв ТБО, их механическом и естественном уплотнении развиваются анаэробные процессы и начинается выделение биогаза. При не плотной укладки отходов выход биогаза уменьшается. Существуют следующие способы механической предварительной обработки ТБО – увеличение плотности складируемых отходов: прессование, укладка брикета, предварительное дробление мусора, трамбовка специальными катками, увеличение глубины свалки. Другие факторы, влияющие на образование биогаза:
1) влажность мусора;
2) показатель кислотности рН;
3) температура;
4) морфологический состав мусора;
5) условия складирования – площадь, объём, глубина свалки.
Питательной средой для метановых бактерий являются водород, азот, фосфор, калий, магний, кальций, сера и их соединения, содержащиеся в ТБО.
Оптимальное соотношение водорода и азота – 1:16. Выход биогаза максимален при влажности ТБО 60-70%, значении рН в пределах 6,5-8,0 и при большей концентрации органических веществ. Органические вещества, содержащиеся в отходах, можно разделить на три класса, каждому из которых соответствует определенный выход метана;
· углеводы – 0,42-0,47 м3 метана/кг;
· белки – 0,45-0,55 м3/кг;
· жиры – до 1 м3/кг.
Теплотворная способность биогаза из ТБО составляет 20-28% МДж/м3 [14]. Он может с высокой эффективностью использоваться или непосредственно как топливо, или посредством газогенераторов трансформироваться в электрическую и тепловую энергию. Биогаз также может использоваться как моторное топливо. На полигонах компостирования ТБО, где не производится сбор биогаза, газ, диффундирующий через толщу отходов, неорганизованно поступает в атмосферу, при этом могут образовываться взрывоопасные концентрации. После рекультивации земель продолжается генерация газа и выхода его в атмосферу. По некоторым оценкам, в результате бесконтрольного выброса со свалок земного шара ежегодно выбрасывается в атмосферу 30-70 млн. тонн биогаза [15].
Сама идея использовать спирт в качестве топлива не нова. В 1860 году немецкий изобретатель Николаус Отто использовал спирт в своём четырехкратном автомобильном моторе, поскольку нефти в те времена было предостаточно, то его ноу-хау осталось без внимания. Отчасти потому, что спирт-ректификат содержит примерно 6 % масс, воды, которая в бензине не растворяется, а ведет к расслоению этих жидкостей, при низких температурах замерзает, образуя ледяные "пробки" в трубопроводах и каналах карбюратора. Получение же безводного ("абсолютированного") спирта в те времена было очень дорогим. А первая советская баллистическая ракета Р- 1, испытанная в 1948 году, работала на смеси кислорода и 75% водном растворе этилового спирта. Поэтому обращение к этанолу, как мощному источнику энергии, вполне естественно. Прошло то время, когда этанол был известен лишь в качестве разбавителя топлива узкого применения. Теперь он считается важной составляющей бензина и высоко ценится благодаря содержанию кислорода и высокому октановому числу (как у бензина марки Аи-108) . Кроме того, производство этанола может быть налажено в сельской местности, обеспечивая столь необходимые там рабочие места и налоговые поступления, этанол вносит ценный вклад в энергетическую и экономическую безопасность страны и является наилучшим из имеющихся средств борьбы с газами, вызывающими парниковый эффект [12].
Что же такое биоэтанол и из чего он производится?
Обычный топливный этанол представляет собой высокооктановый спирт, получаемый путем ферментации сахара, который, в свою очередь, получают из крахмала зерновых, например, кукурузы или пшеницы, но процесс получения спирта не ограничен только этими культурами. Биоэтанол получают ферментацией сахаров, добываемых из растительного волокна из возобновляемых источников сырья – таких, как древесина или солома. Независимо от назначения этанола его производство включает следующие технологические этапы:
· Исходное сырьё размалывается и подвергается гидролизу;
· Получившаяся смесь сахаров сбраживается дрожжами;
· Получившийся раствор поступает в перегонную колонну, где отгоняется спирт-сырец;
· Спирт-сырец затем используется для получения чистого этанола путём ратификации [Приложение 3].
При сгорании этанола из растительного волокна выделяется в 10 раз меньше углекислого газа, чем при сгорании бензина (а углекислый газ – одна из причин парникового эффекта и глобального потепления). В США, Швеции и Бразилии этанол уже добавляют к бензину, чтобы уменьшить выделение углекислого газа.
Почему биоэтанол?
Топливные смеси, содержащие этанол, сегодня успешно используются во всех типах автомобильных двигателей, работающих на бензине. Промышленное производство биоэтанола и использование его в качестве топлива значительно снижает зависимость от множества факторов:
· Во-первых, октановое число биоэтанола выше октанового числа бензина, что позволяет увеличить компрессию, и как следствие, предоставляет новые возможности увеличения мощности двигателя;
· Во-вторых, добавление биоэтанола существенно уменьшает выделение вредных примесей, сопутствующих 100% бензиновому топливу.
· В третьих: производство биоэтанола во многих странах мира позволяет им уменьшать свою энергетическую зависимость от поставщиков нефтяных и газовых ресурсов [9].
Как правило, обычно этанол используется в смеси с бензином. Все автомобили и легкие грузовики, эксплуатируемые сегодня в США, используют топливные смеси с содержанием от 10% до 85% этанола, в соответствии с гарантиями своих производителей. Содержание спирта в общеизвестных топливных смесях следующее: топливо E10 - содержит 10% этанола и 90% бензина.
E10 одобрено к использованию в любом автомобиле, произведенном или поставляемом в США. Большое число американских производителей настоятельно рекомендуют к использованию в своих автомобилях именно этот вид топлива. Топливо E85 - содержит 85% этанола и 15% бензина.
E85 является еще одним альтернативным вариантам топлива, пригодным к использованию в двигателях с измененной специально для этого конструкцией. Изменение конструкции двигателя в варианте с топливом Е85 является ключевым фактором, т.к. практически все автомобили могут использовать E10 без изменения конструкции двигателя.
Смесь Е85 быстро становится наиболее популярным видом топлива на современном топливном рынке. При этом, некоторые производители поставляют на автомобильный рынок двигатели специальной конструкции (FFVs), работающие на любом соотношении бензина и этанола, включая E85. Масштабы использования биоэтанола в качестве автомобильного топлива постоянно возрастают. В Российской Федерации для производства топливного биоэтанола имеются достаточно серьёзные: сырьевая, технологическая и промышленная базы [18]. Первый завод по производству биоэтанола будет построен в Омске. 22 ноября 2006 г. в Омске Группой компаний «Титан» при поддержке Правительства Омской области и Министерства сельского хозяйства Российской Федерации была проведена торжественная церемония начала строительства первого в России биокомплекса с годовым объемом производства биоэтанола до 150000 тонн, клейковины – 59000 тонн, углекислого газа – 115000 тонн, сухой кормовой барды (DDGS и отруби) – 240000 тонн. На первом этапе в рамках этого проекта будет осуществлено строительство завода по производству топливного биоэтанола. Инновационная технология заключается в том, что зерно пшеницы подвергается глубокой переработке. На выходе получается обезвоженный денатурированный этиловый спирт (биоэтанол) и сопутствующие продукты: сухая барда, сухая клейковина, углекислый газ. Комплекс сможет перерабатывать около 600 тысяч тонн зерна в год.
Омская область имеет хорошие перспективы для реализации проекта, поскольку обладает большими запасами воспроизводимого натурального биологического сырья (биомассы), от продуктов переработки сельскохозяйственного сырья до лесных ресурсов. Применяемая компанией технология производства биоэтанола, нативной клейковины, углекислого газа и кормовых дрожжей обеспечивает соблюдение всех необходимых экологических норм. Данный вид деятельности безопасен для окружающей среды. Не используются вещества, создающие радиоактивные или высокотоксичные отходы, а также отходы, способные вызвать инфекционное заражение. Вредные стоки отсутствуют. На первоначальном этапе планируется поставлять топливо на внешний рынок. Продукт – ЭТБЭ высоко востребован в государствах Евросоюза и некоторых стран Южно-Азиатского региона [13].
Главное достоинство этанолсодержащих топлив — уменьшение количества монооксида углерода, оксидов азота и сажи в отработавших газах двигателей. Кроме того, этанол обладает высокими антидетонационными свойствами: он является наиболее эффективной антидетонационной добавкой среди алифатических спиртов. Очень важно и то, что его можно получать из возобновляемого (растительного) сырья.
К сожалению, этанол имеет недостатки, из-за которых он до настоящего времени широкого распространения в России не получил: