Простые энергетические решения против изменения климата

 Ум никогда ни в чем не уверен.
Ошо

Учащиеся знакомятся с понятием «энергосбережение», с теоретическими основами производства и использования биогаза.

Опорные знания учащихся. Учащиеся должны иметь представление о рациональном использовании природных ресурсов и глобальных экологических проблемах человечества, о необходимости утилизации отходов производств и использовании альтернативных источников энергии.

Цели урока:

• Рассмотреть возможности переработки отходов с помощью биогазовой технологии.
• Выявить практическое применение биогаза.
• В ходе экспериментальной деятельности определить факторы, влияющие на процесс брожения.

Ход урока

Сохранение природных ресурсов одна из глобальных общечеловеческих задач. В связи с высокими ценами и ограниченными запасами нефти, газа и угля возникает проблема поиска дополнительных энергетических ресурсов. Одним из эффективных способов получения энергии сейчас и в будущем может стать использование в качестве топлива отходов. Наиболее эффективными мерами утилизации ТБО является переработка вторичного сырья в полезную продукцию с получением прибыли, переработка биоразлагаемых отходов в компост, биогаз, технологический спирт и другие субстанции. Также чрезвычайно важна утилизация биомассы в сельском хозяйстве, где на различные технологические нужды расходуется большое количество топлива и непрерывно растет потребность в высококачественных удобрениях.

Биогаз использовался ещё в Древнем Китае и был вновь «открыт» в наше время. Биогаз получается метановым брожением биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид - бактерии гидролизные, второй - кислотообразующие, третий - метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида.

Химический состав биогаза

 Теплота сгорания биогаза составляет от 21 до 27,2 МДж/м3. По теплоте сгорания 1 м3 биогаза эквивалентен: 0,8 м3 природного газа, 0,7 кг мазута или 1,5 кг дров. После очистки биогаза от СО2 получается биометан - полный аналог природного газа, отличие только в происхождении.

Сырьё для получения биогаза

Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза: навоз, птичий помёт, барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха, трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов, отходы производства биодизеля и т.д. Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья.

Влияние вида исходного сырья на выход биогаза 

Сегодня применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (например, ультразвуковых) и других приспособлений позволяет увеличивать выход биогаза на самой обычной установке с 60 % до 95 %. В биогазовых расчётах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Вода, содержащаяся в биомассе, не даёт газа. На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 литров биогаза.

Экология

Получение биогаза позволяет утилизировать уходящий пока большей своей частью в атмосферу метан. А это второй по значимости после углекислоты парниковый газ. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО₂, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана - лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления.

Производство

В основе биогазовых технологий лежат сложные природные процессы биологического разложения органических веществ в анаэробных (без доступа воздуха) условиях под воздействием особой группы анаэробных бактерий. Эти процессы сопровождаются минерализацией азотсодержащих, фосфорсодержащих и калийсодержащих органических соединений с получением минеральных форм азота, фосфора и калия, наиболее доступных для растений, с полным уничтожением патогенной (болезнетворной) микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, специфических фекальных запахов, нитратов и нитритов. Процесс образования биогаза и удобрений осуществляется специальных биореакторах-метантенках.

По сравнению с аэробным разложением при компостировании анаэробы работают медленнее, но зато гораздо экономнее, без лишних энергетических потерь. Конечный продукт их деятельности - биогаз, в котором 60-70% метана,- есть не что иное, как концентрат энергии: каждый кубометр его, сгорая, выделяет столько же тепла, сколько килограмм каменного угля, и в два с лишним раза больше, чем килограмм дров. Во всех прочих отношениях анаэробная ферментация ничуть не хуже компостирования. А самое важное - что таким способом прекрасно перерабатывается навоз с ферм. В процессе биологической, термофильной, метангенерирующей обработки органических отходов образуются экологически чистые, жидкие, высокоэффективные органические удобрения.

Принцип работы установки

Хорошая биогазовая установка должна иметь необходимые части: емкость гомогенизации, загрузчик твердого (жидкого) сырья, реактор, мешалки, газгольдер, система смешивания воды и отопления; газовая система, насосная станция, сепаратор, приборы контроля, система безопасности. Отходы периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный железобетонный резервуар оборудованный миксерами. В реакторе живут полезные бактерии, которые питаются отходами. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма - отходов, подогрев до 35°С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен.

Факторы, влияющие на процесс брожения: температура, влажность среды, уровень рН, соотношение C : N : P, площадь поверхности частиц сырья, частота подачи субстрата, замедляющие вещества, стимулирующие добавки. Количество вырабатываемого газа зависит от температуры: чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации органического сырья. Принципиальным является, что чем меньше частички субстрата, тем лучше. Измельченное сырье имеет влияние на количество произведенного газа через длительность периода брожения. Чем короче период брожения, тем лучше должен быть измельчен материал. Сырье должно быть подходящим для развития бактерий, содержать биологически разлагающееся органическое вещество и в большом количестве воду (90-94%).

Желательно, чтобы среда была нейтральной и без веществ, мешающих действию бактерий: например, мыла, стиральных порошков, антибиотиков. Биогазовая установка имеет целый ряд преимуществ: очистку от отходов, биогаз, электричество, тепло, удобрения.

Свалочный газ - одна из разновидностей биогаза, в настоящее время разработаны проекты получения биогаза из ТБО на городских свалках. Среднее время эксплуатации одной скважины составляет 15 лет, ориентировочный срок окупаемости проекта составляет 4-5 лет.

Применение биогаза

Биогаз используют в качестве топлива для производства: электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива. Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, т. е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки.

 Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании — биогаз занимает до 18 % в её общем энергобалансе. Больше всего малых биогазовых установок находится в Китае — более 10 млн. (на конец 1990-х). В Индии, Вьетнаме, Непале и других странах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи. В последнее время биогаз широко применяется в автомобильном транспорте. Volvo и Scania производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно используются в городах Швейцарии: Берн, Базель, Женева, Люцерн и Лозанна.

Перспективы использования биогаза

Всего в мире в настоящее время используется или разрабатывается около 60 разновидностей биогазовых технологий. В заметных объемах биогаз добывается и утилизируется в ряде развитых западных стран. К их числу относятся США, Германия, Великобритания, Нидерланды, Франция, Италия, Дания. Однако, объем извлекаемого газа ничтожен по сравнению с объемом его образования. Это открывает широкие возможности для развития биогаза как отрасли в целом. Россия ежегодно накапливает до 300 млн. т в сухом эквиваленте органических отходов: 250 млн. т в сельскохозяйственном производстве, 50 млн. т в виде бытового мусора. Эти отходы могут быть сырьём для производства биогаза. Потенциальный объём ежегодно получения биогаза может составить 90 млрд. м³.

Лабораторная работа «Получение биогаза»

Форма проведения: эксперимент.

Планируемые результаты обучения. Учащиеся должны познако­миться с методикой получения биогаза и практическим его применением в хозяйстве.

Опорные знания учащихся.Особенности анаэробного брожения, правила противопожарной безопасности.

Цели и задачи исследования. Особенность биогазовых технологий в том, что они не являются чисто энергетическими, а представляют комплекс, охватывающий решение как энергетических, так и экологических, агрохимических, лесотехнических и других вопросов, и в этом состоит их высокая рентабельность и конкурентоспособность.

Объектом исследования является биогаз, как одно из перспективных и экологически чистых заменителей минерального топлива при производстве энергии.

Предметом исследования является практическое применение биогаза и перспективы его использования в хозяйстве.

Цель работы: рассмотреть возможности переработки отходов с помощью биогазовой технологии.

Задачи:

• Изучить состав и качество биогаза, основные источники сырья.
• В ходе экспериментальной деятельности определить факторы, влияющие на процесс брожения.

Материалы: колба, пробка с газоотводящей трубкой, зажим, органические отходы, вода.

Основные этапы эксперимента «Получение биогаза»:

• Используя методику по получению биогаза (Роговой О.Г. Рогожиной У.К.«Биодизель – топливо будущего или новая экологическая проблема?»//научно-популярный журнал «Биология в школе», №3,2007г, с.11-16.), собрать «установку» и получить биогаз из пищевых отходов (рис.1.).
• Сравнить потенциал использования биомассы разного состава для получения биогаза.

Рис.1.

Ход работы:

1. Собрать «установку» для получения биогаза.
2. Наполнить колбу подсохшими листьями, добавить небольшое количество воды.
3. Процесс брожения должен проходить в течение недели при температуре 300С.
4. Периодически (один раз в день) перемешивать содержимое колбы.
5. Открыв заглушку, лучиной поджечь газ.
6. Повторить эксперимент - наполнить колбу подсохшими листьями, банановыми шкурками и другими органическими отходами (навозом), сохраняя одинаковые пропорции.

Результаты исследования

  Полученный биогаз - это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в процессе анаэробного сбраживания. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать от 60 до 90% той, которой обладает исходный материал. От условий, которые созда­ются для жизнедеятельности метанообразующих бактерий, зависит интенсив­ность газовыделения. Необходимо строго поддерживать анаэробную среду, а также соответствующий температурный и кислотный (рН) режим. В условиях домашнего хозяйства практическое значение имеет только мезофильное (25...40° С) или психрофильное (8...200 С) метановое сбраживание. Выработка биогаза зависит и от многих других причин. Например, на поверхности органической массы периодически обра­зуется плавающая корка, мешающая вы­ходу биогаза. Поэтому ее необходимо устранять, перемешивая содержимое колбы. Чем разнообразнее состав биомассы, тем больше образуется биогаза. В его отходах содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале.

Ценностные ориентации. Биогаз – это перспективное топливо, которое можно получать из любой органики. На выходе получается не только топливо, но и идеальное удобрение, более эффективное, чем простой навоз. Биогаз может использоваться как обычный природный газ для выработки электроэнергии и тепла. Его можно сжигать, накапливать, перекачивать, использовать для заправки автомобиля.

Подведение итогов. По результатам исследований школьники делают выводы о необходимости использования биогазовых установок как важном способе энергоресурсосбережения с целью улучшения экологического состояния окружающей среды.