Биотопливо из отходов: как работает технология, сколько можно получить?

Действительно ли из мусорных отходов можно получить топливо? Как это вообще работает? А сколько можно получить? Где используются технологии?

Отвечаю по порядку.

Во-первых, получить топливо из биомассы можно и еще как!
Вот, к примеру, ссылка на Инструкцию Eawag по использованию технологий анаэробного сбраживания.

Eawag — это Швейцарский федеральный институт водных наук и технологий, имеющий сеть по всему миру. Свою миссию видит в объединении «научного» мира и мира реального».

Во-вторых, базовые расчеты не так сложны как кажется. Рассмотрим ниже пример решения задачи из курса Municipal Solid Waste Management in Developing Countries по ESG, разработанного Федеральной политехнической школой Лозанны.

И, в-третьих, уже выходят в свет готовые облегченные для использования варианты получения газа/энергии из отходов. И один из таких также здесь рассмотрим.


Задача по расчету объема резервуара, необходимого для ежедневной переработки отходов рынка, и количества ожидаемой электроэнергии

Небольшая вводная

Существует аэробное брожение и анаэробное. С участием воздуха и без него соответственно.

Газ мы можем получить при анаэробном сбраживании (без доступа кислорода). Конструкция, позволяющая осуществлять анаэробную переработку как раз будет рассмотрена ниже. Она представляет собой купол, размещаемый, как правило, под землей. Подробнее о технологии рекомендуем узнать из небольшой лекции в разделе Ссылки в конце статьи.

Условие задачи

Овощной рынок на юге Индии с 40 киосками, торгующими овощами и фруктами, хотел бы установить подземный
стационарный купольный реактор анаэробного сбраживания. План состоит в том, чтобы перерабатывать биоотходы и использовать биогаз в генераторе для производства электроэнергии для освещения рынка в вечерние часы, а также для питания измельчителя. Вас просят дать рекомендации по проектированию такой системы.

Показатели для расчета

  • среднегодовая температура в регионе колеблется в пределах 25-30°C с небольшими вариациями
  • отходы распределяются в каждом киоске на органические и неорганические и вывозятся силами рынка каждый вечер
  • в пункте сбора органические отходы измельчаются на мелкие кусочки с помощью электрического измельчителя (производительность 200 л/ч, потребляемая мощность 2500 Вт)
  • органические отходы, собранные с одного киоска = 4 кг/день = 4 литра/день
  • органические отходы имеют содержание TS (твердое вещество) 15%
  • органические отходы имеют содержание VS (летучие вещества) 75% (в сухом веществе)
  • вода широко доступна на месте производства суспензии. Для каждого литра измельченных отходов предлагается добавить 1 литр воды. Допущение, что вода не имеет VS%.
  • полученную смесь ежедневно подают в реактор
  • время хранения в реакторе предполагается 30 дней
  • распределение веществ в куполе реактора: 75% объема используется для суспензии и 25% объема для хранения газа
  • энергетическое содержание биогаза: 1 м3= 6 кВтч
  • ожидаемый выход биогаза: 0,67м3/кгVS (обычно применяемый для подобных расчетов норматив)
  • газоэлектрический генератор имеет КПД 30%
  • на рынке есть 1 лампочка на ларек и 12 лампочек общего пользования
  • освещение требуется около 4 часов в день
  • все лампочки имеют мощность 60 Вт
Вопросы
  1. Насколько большим должен быть реактор? 
  2. Сколько биогаза можно ожидать в день? 
  3. Если газ преобразуется в электричество, будет ли этого достаточно для работы измельчителя и освещения?
Расчет по вопросу 1: насколько большим должен быть реактор

1) Определим приток биоотходов, смешанных с водой, за день:

40киосков * 4литра = 160л/день органических отходов собирается с рынка
160л.отходов + 160л.воды = 320л/день = 0.32м3/сутки общий объем массы для реактора

2) Рассчитаем объем «суспензии» в реакторе исходя из скорости загрузки

Время хранения = 30 дней
320л/день * 30дней = 9600л = 9,6м3

3) Определим объем реактора

В неподвижном куполе 75% объема используется для «суспензии» и 25% для хранения газа.
На шаге 2 был рассчитан объем «суспензии» = 9,6м3.
Таким образом, объем реактора определим с помощью простой пропорции:
9,6м3 / 0,75 * 1 = 12,8м3 необходимый объем реактора

Дополнительная проверка скорости органической нагрузки (не должна превышать 2)

1) Определим качество сырья

TS (кол-во твердых веществ в биомассе) = 15%.
160л/день * 0,15TS = 24кг/день (сухого вещества)

VS (кол-во летучих веществ) = 75%
24кг/день * 0,75VS = 18кг/день летучих веществ в день на 320 литров или
18 / 320 * 1000 = 56,25кгVS/м3 объем твердых летучих веществ на кубический метр

2) Рассчитаем скорость органической загрузки (OLR)

OLR = расход 3/ сутки) * концентрацию (кгVS/м3) / объем «суспензии» в реакторе 3)
OLR = 0.32м3/сутки * 56,25кгVS/м3 / 9,6м3 = 1,875кгVS/м3
OLR приемлема. Идем дальше.

Расчет по вопросу 2: сколько биогаза можно ожидать в день

1) Количество ожидаемого газа

Выход биогаза, получаемого из органического вещества: 0,67м3/кгVS
1,875кгVS/м3 * 0,67м3/кгVS * 9,6м3 = 12,06м3/день ожидаемый объем газа в сутки

Расчет по вопросу 3: достаточно ли полученного из отходов биотоплива для работы освещения и измельчителя

1) Определим энергоемкость биогаза, получаемого за сутки

Энергетическое содержание биогаза: 1 м3= 6 кВтч
Энергетическая ценность биогаза, вырабатываемого в реакторе в сутки = выход газа в сутки * энергетическая ценность биогаза на кубометр
12,06м3/день * 6кВтч/м3= 72,36кВтч/24 часа энергоемкость биогаза за сутки

2) Рассчитаем количество энергии, получаемой после использования газогенератора

Газоэлектрический генератор имеет КПД 30%
Выход электроэнергии с использованием газогенератора = энергосодержание биогаза * КПД газоэлектрогенератора
72,36кВтч/24 часа * 0,3 = 21,7кВтч/сут кол-во энергии после использования газогенератора

Дневные потребности в электричестве:
а) измельчитель: 2500Вт / 1000 * 1час использования в день = 2,5кВтч/день
б) освещение: 12,48кВтч/день ( 40ламп в киосках + 12ламп общ пользования) * 60Вт * 4часов/день = 12.48кВтч/сут)
в) общее потребление электроэнергии (измельчитель + освещение): ~15кВтч/день

Полученного объема электричества достаточно (15 < 21).


Установка «из коробки», перерабатывающая отходы в биогаз

Израильская компания HomeBiogas разработала установку, производящую в домашних условиях биотопливо из практически любых органических отходов.

Фото с сайта производителя https://www.homebiogas.com/

Посмотрим на характеристики аппарата на примере модели HOMEBIOGAS2.

Чем кормить устройство и в каком количестве?

В HomeBiogas 2 можно ежедневно использовать навоз, пищевые или человеческие отходы в следующих количествах:
а) пищевые отходы: до 6 литров в сутки
б) навоз: до 15 литров в день на 30 литров воды.

Стоимость

На момент написания статьи стоимость модели 749 долл или около 55 тыс рублей.

Ограничения
  • нельзя добавлять в аппарат скошенную траву, компост, листья деревьев, так как процесс их переваривания занимает много времени
  • нужно продумать заранее место установки с учетом температурного режима. Аппарат не может работать в холоде, а его сезонная сборка/разборка не предусматривается, т.к. слишком хлопотное занятие.
Выход от использования устройства
  • до двух часов работы газовой горелки в день
  • удобрения в значительном количестве.

  • официальный сайт Швейцарского федерального института водных наук и технологий (Eawag)
  • Инструкция Eawag по использованию технологий анаэробного сбраживания
  • небольшая видеолекция по основам анаэробного сбраживания биологических отходов курса Municipal Solid Waste Management in Developing Countries
  • небольшая видеолекция по технологиям анаэробного сбраживания курса Municipal Solid Waste Management in Developing Countries
  • официальный сайт HomeBiogas