Будущее биогаза

БУДУЩЕЕ БИОГАЗА
В качестве научного референта по энергетике при Правительстве Федеральной земли Штирии я очень интересуюсь темой "Будущее биогаза". В моем представлении возможно применение этой новой технологии на базе серийной модульной установки на биогазе почти в каждой коммуне, чтобы тем самым осуществить энергообеспечение и решить проблему утилизации отходов в целях улучшения экологической обстановки.
Исходя из этого, я считаю очень важным выделение средств на исследовательские проекты новых биогазовых технологий, так как биогаз и связанные с ним технологии, с моей точки зрения, являются надеждой для экономики Штирии, а также, в особенности, для строительства установок и предприятий экологической техники. Это соответствует моему кредо касательно того, что инвестиции в инновации сегодня обеспечивают рабочие места в будущем. Хотя я считаю Штирию регионом будущего в свете данного вопроса, тем не менее всё пространство ЕС имеет большой потенциал сбыта этих технологий.
Вклад в соответствии с целями Киотского Соглашения
Сырье с сельскохозяйственных залежных земель, сырье от утилизации может, в качестве биогаза, заменить ископаемые энергоносители и тем самым помочь в достижении целей, которые мы поставили перед собой в Киотском протоколе, а именно, минимизировать выброс СО2.
Энергоноситель высокого качества
Если соответствуют все предпосылки: качество планирования, качество исполнения, подходящая, в том числе и политическая, обстановка, что дает благоприятные условия, то биогаз может привести к энергоснабжению более высокого уровня.
Сетевое предприятие будущего
Для достижения поставленных целей я постарался с созданием сетевого предприятия экологической энергии NOEST добиться режима "зеленой улицы" ("one-stop-shop") для инновационных проектов и исследований, что словом и делом помогает также тем, кто оказывает соответствующую поддержку, а также помогает должным образом сориентировать политиков. Данное пособие является хорошей базой для осуществления намеченных планов.
Федеральная земля Штирия уже однажды использовала свой шанс по развитию подачи тепла на основе биомассы. Биогаз является следующим шансом. Давайте воспользуемся им вместе!
Успеха.
Заместитель Главы правительства Федеральной земли Леопольд Шёггль
2. ДАННАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
Все новые технологии, а в качестве таковой я рассматриваю в настоящее время и производство на базе биогаза, связаны с множеством неясных вопросов: они начинаются уже с неуверенности в отношении возможных затрат в зависимости от примененных субстратов и продолжаются далее на этапе функционирования предприятия проблемами, связанными с правовым предпосылками и потребностями предприятия.
Предлагаемая документация по биогазу, которая составлена таким образом, что есть возможность быстро реагировать на изменения и новинки, должна уменьшить выше названную неуверенность и дать вам путеводную нить по реализации данного проекта. В общем и целом, издательство обращается не только к потенциальным пользователям, но и к предприятиям, занятым планированием и строительством.
Документация для специалистов по установкам на базе биогаза соответствует уровню знаний, которыми располагает Федеральная земля Штирия в настоящее время, и действующей законодательной базе; она разрабатывалась соответствующими службами Федеральной земли и в качестве разрешающего документа. В будущем этот документ будет расширен проспектами, еженедельниками и результатами новейших исследований, что поможет вам быть в курсе последних достижений науки.
Согласно своим обязательствам Энергетическое объединение Федеральной земли всегда оказывало поддержку внедрению производства энергии на базе новейших энергоносителей. Подача тепла на базе биомассы – это успешный опыт Федеральной земли Штирии, а солнечные коллекторы используются все чаще для подогрева воды на бытовые нужды и частично для подогрева помещений.
Итак, мы хотим помочь вам в использовании шанса под названием биогаз.
Герхард Ульц, руководитель Энергетического объединения Федеральной земли Штирия
3. ОПРЕДЕЛЕНИЯ
СУБТРАТ
Сырье и материалы, предназначенные для биогазового процесса в биогазоустановке, называют субстратом, независимо от свойств и происхождения материала. Биогенные водосодержащие материалы подходят особенно хорошо, древесные же материалы не подходят.
КОФЕРМЕНТАЦИЯ
В Указе Федерального Министра по труду и экономике касательно признания установок на биогазе согласно § 7 Закона по экологической безопасности при производстве электроэнергии от 20.03.2003 г. перечисляются те вещества, на базе которых установка функционирует без коферментации (см. Приложение 10.7). Все "иные вещества" подпадают под действие коферментации.
БИОГАЗ
Биогаз представляет собой энергоноситель с энергией химического соединения, главным компонентом которого является метан. Он образуется в результате анаэробного (анаэробный – с выделением кислорода) микробного разложения органического компонента. На этом основании очистной газ и депонентный газ считаются биогазом.
БИОГАЗОВАЯ УСТАНОВКА
Установка по производству, подготовке, складированию и/или использованию биогаза.
СКЛАДИРОВАНИЕ СУБСТРАТА
Под этим понимают все емкости для складирования любого субстрата, до его подведения к биогазовому ферментёру.
ЕМКОСТЬ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
Она служит для перемешивания и гомогенизации субстратов, подаваемых в ферментёр. Размеры и конструкция ( миксер, оснастка для измельчения, насосы) устанавливаются в зависимости от используемых субстратов.
ФЕРМЕНТЕР
Может иметь вертикальную или горизонтальную конструкцию. Размеры и вид конструкции зависят от вида и количества субстрата, который должен подаваться, и от заданной длительности его содержания. Ферментёр подогревается, герметично закрывается. Он оснащен установкой для перемешивания и отвода биогаза.
КОНЕЧНЫЙ ФЕРМЕНТЕР
Как и основной ферментер он может иметь вертикальную или горизонтальную конструкцию и располагается за основным ферментером по направлению потока субстрата. Конечный ферментер служит для полного разложения органической составляющей субстрата и тем самым служит для производства остаточного биогаза, еще содержащегося в субстрате. Размер зависит от количества субстрата, который должен подаваться, и от заданной длительности его содержания. Как и основной ферментер, конечный ферментер чаще всего также подогревается, герметически закрытый. Он тоже оснащен установкой для перемешивания и отвода биогаза..
КОНЕЧНОЕ СКЛАДИРОВАНИЕ
Емкость служит для складирования отходов ферментации до извлечения. Будучи герметично закрытой, эта емкость может также служить как конечный ферментер для получения еще выделяющегося биогаза.
НАКОПИТЕЛЬ БИОГАЗА
Он служит для промежуточного накопления выделяющегося биогаза вплоть до дальнейшего использования. Накопитель может быть вмонтирован в основной или конечный ферментер или располагаться отдельно. При накоплении газа через конечный ферментер, он накрывается фольгой, под которой может собираться газ. В противном случае вне ферментера устанавливается мешок по сбору газа.
МЕМБРАНОВАЯ ЕМКОСТЬ ДЛЯ ГАЗА
Емкость, которая полностью или частично закрывается мембраной из синтетических материалов и служит для накопления биогаза.
ЕМКОСТЬ ДЛЯ ГАЗА С ДВОЙНОЙ МЕМБРАНОЙ
Емкость, которая полностью или частично закрывается двойной мембраной из синтетичских материалов и служит для накопления биогаза. Двойная мембрана из синтетических материалов состоит из внутренней подвижной мембраны, которая контролирует и ограничивает объемы накапливаемого газа. Внешняя мембрана защищает накопитель от внешних воздействий.
БЛОЧНАЯ ТЕПЛОВАЯ УСТАНОВКА
В данной установке используется очищенный от серы и высушенный биогаз. Содержащаяся в биогазе энергия превращается приблизительно на 1/3 в электрическую и на 2/3 в термическую энергию. Электрическая энергия может подаваться в государственную электрическую сеть, тепло может применяться на предприятиях и использоваться в близлежащей местности.
ОТХОДЫ ПОСЛЕ ФЕРМЕНТАЦИИ
Под ними подразумевают смесь различных субстратов, которая образуется при конечном складировании после анаэробной ферментации в биогазоустановке. Эти отходы после ферментации являются в качественном отношении лучшими, чем начальный продукт и могут применяться в сельском хозяйстве в виде ценного удобрения, которое в первую очередь содержит азот.
4. ТЕХНОЛОГИЯ И ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК
4.1. ЧТО ТАКОЕ БИОГАЗ
Биогаз возникает при ферментации органических веществ, таких как навозная жижа, навоз, жидкое навозное удобрение, растения, пищевые отходы. Он возникает в природе повсюду, где нет доступа кислорода: в болотах и топях, а также в пищеварительном тракте при пережевывании. В ферментерах и в гнилостных башнях в результате анаэробной ферментации (анаэробный = без кислорода) образуется биогаз.
Если органический материал складируется без доступа воздуха (анаэробно), то при воздействии связывающих метан бактерий (кокки, палочки, спирали, спирохеты, микоплазмы и нитевые бактерии) начинается биологический процесс, при котором образуется газ. Это и есть биогаз.
Образующийся биогаз состоит в основном из:

ВЕЩЕСТВО	ХИМ.ФОРМУЛА	СОДЕРЖАНИЕ %
Метан	CH4	40-75
Углекислый газ	CO2	25-55
Водяной пар	Н2О	0-10
Азот	N2	<5
Кислород	O2	<2
Водород	H2	<1
Сероводород	H2S	<2
Аммиак	NH3	<1

Теплота сгорания на 1 м³ биогаза соответствует в зависимости от содержания метана 6,4 киловаттчасов (кВт.ч). Из этого количества можно произвести, в зависимости от эффективности блочной тепловой установки, до 2кВт·ч электрической энергии и 2кВт.ч тепла (за вычетом теплоты при процессе).
4.2. СТРОИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ
Основная конструкция: Каждая биогазовая установка состоит из ряда строительных групп и отдельных строительных элементов, расположенных вокруг ферментера.

4.3. НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ СИСТЕМЫ УСТАНОВОК
Важнейшим элементом каждой биогазовой установки является ферментер. От вида конструкции ферментера происходит название биогазовой установки. Для полной картины следует указать на широкий спектр типов ферментеров и систем брожения. Не все имеющиеся типы фрментеров зарекомендовали себя при длительной эксплуатации, поэтому они и не важны для практики.
Биогазовые установки можно было бы поделить на группы в зависимости от формы собственности (доля участия) на частные, общественные или коммунальные, крупные промышленные установки. Следующим признаком различия биогазовых установок является происхождение или вид применяемых субстратов. Принципиально, их можно было бы поделить на сельскохозяйственные биогазовые установки или установки коферментации.
Самые существенные признаки различия проявляются в технологических системах, поэтому классификация основана на технологии, применяемой на установках.
В основном, биогазовые установки можно различать в зависимости от содержания сухой субстанции применяемой биомассы. Вначале происходит разделение между влажной ферментацией (содержание сухой субстанции <15 процентов ) и сухой ферментацией (содержание сухой субстанции 25-60%).

При влажной ферментации часто используются понятия "непрерывные" и "прерывистые" процессы. Влажная ферментация является в Европе наиболее распространенным процессом биогазовых установок, базирующихся на ферментации исходных субстратов (содержание сухой субстанции < 15%). Данные типы разделяются по виду конструкции следующим образом:
4.3.1 ФЕРМЕНТЕР С КОТЛОМ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ
Данный тип получает свое название благодаря необходимому наличию перемешивающих механизмов внутри ферментера для обеспечения постоянного перемешивания субстратов.
В сфере биогазовой техники для сельского хозяйства выбираются и внедряются вертикальные цилиндрические конструкции. Четырех- и многоугольные конструкции не оправдали себя. Особые формы, например, в виде яйца или конического (вверху или внизу) цилиндра, находят применение скорее в конструкциях очистных установок, где они внедряются как гнилостные башни.
Сегодня возможно строительство и гарантированная эксплуатация ферментеров объемом до 4.000 м3 (в особых случаях еще больше). Ферментеры эксплуатируются в основном в среднем (35°С-38°С) или термическом (55°С-60°С) диапазоне. Естественно, это предусматривает наличие в ферментере эффективной нагревательной системы.
Также, при многократном перемешивании субстрата в ферментере требования к среде для отдельных групп бактерий (гидролиз или метагенез) не выполняются в полной мере. Но эти недостаточные условия компенсируются на практике за счет относительной продолжительности процесса.
В результате более длительного процесса достигается определенный эффект разбавления субстрата в ферментере. Кроме этого, на практике бытует мнение, что отдельные группы веществ вводимого субстрата имеют всегда разные сроки распада, в результате чего невозможно точно разграничить гидролиз и образование метана. В сфере систем ферментеров с котлами для перемешивания на практике применяются различные типы:
4.3.1.1 НАКОПИТЕЛЬНАЯ ПОТОЧНАЯ СИСТЕМА НА БАЗЕ ГЕРМЕТИЧНОГО КОНТЕЙНЕРА ДЛЯ НАВОЗНОЙ ЖИЖИ
Накопительная биогазовая установка представляет собой стандартную бетонную емкость для навозной жижи, выполненную из бетона с помощью опалубки, расширенную до биогазовой установки. Складирование и ферментация осуществляются в одной емкости.
Загрузка осуществляется непрерывно. Преимущественным является относительно малые размеры компактной установки. В последнее время в эту систему интегрируют также биогазовый накопитель.
4.3.1.2. НАКОПИТЕЛЬНАЯ ПОТОЧНАЯ СИСТЕМА С КОНЕЧНЫМ ФЕРМЕНТЕРОМ
Данный тип на приктике очень популярен и широко распространен. Основной и конечный ферментеры образуют единое целое и могут быть обозначены как закрытая система.

1.Хлев
2.Приямок

3.Подвоз и подготовка
4.Сосная станция
5.Основной ферментер
6.Конечный ферментер
7.Преобразователь энергии
8.Хранилище биогаза
9.Блочная тепловая установка
10.Вывоз
В данной системе ферментер сооружается (как и в случае с герметичным хранилищем навозной жижи) как правило из бетона с помощью опалубки. Но в последнее время все чаще в качестве ферментера используются стальные емкости. Конечный ферментер также почти всегда сооружается из бетона, но может также выполняться из стали.
4.3.2. ПОТОЧНЫЙ ФЕРМЕНТЕР С ВТУЛКАМИ
На практике он более известен как трубочный ферментер. Несмотря на то, что эта установка также располагает специальным перемешивающим устройством, однородной смеси при этом не получается, и субстрат должен проходить через систему втулок. Основным элементом трубочного ферментера является размещенный по оси перемешивающий лебедочный модуль. Такое расположение модуля дает определенное направление движению субстрата. На практике бытуют разные мнения по оптимальному числу оборотов перемешивающего устройства. Однако следует исходить из средней скорости от одного до четырех оборотов в минуту.
Трубочный ферметер имеет следующую конструкцию:
Проточная установка с горизонтальной стальной емкостью (Поточный ферментер с втулками) и приямок с навозной жижей (пригоден и для твердого навоза).

1. Подвод навозной жижи

2. Навозная жижа
3. Миксер
4. Насос
5. Подвод свежей навозной жижи
6. Теплообменник
7. Трубочная мешалка
8. Забор газа
9. Подвод горячей воды
10. Отвод горячей воды
11. Отток перебродившей навозной жижи
Перекладины перемешивающего лебёдочного модуля должны быть размещены так, чтобы они захватывали минимум 95% бродильной камеры. Положение перекладин перемешивающего механизма может быть от случая к случаю различным. Эффект от перемешивающего модуля очень важен для создания компактных поточных завихрений. Эти поточные завихрения усиливаются вследствие точно установленных интервалов включения (как правило, через 15 или 30 минут). Тем самым могут эффективно устраняться слои как на поверхности, так и в осадке.
Подогревающее устройство поточного ферментёра с втулками или вмонтировано в перемешивающее устройство или, если ферментёр имеет двойной кожух, встроено в кожух. Оба варианта имеют преимущества и недостатки, которым должна даваться оценка по ситуации.
Данный непрерывно приводимый в движение ферментёр отличается очень многими вариантами размещения в системе. На практике обычно отдаётся предпочтение горизонтальной, также иногда чуть наклонённой, трубообразной конструкции из стали или бетона. Из стали, прежде всего по экономическим причинам, почти всегда монтируются ферментёры объёмом 50 м³ – 150 м³. Однако ферментёры из бетона могут иметь намного большие размеры.
В отличие от ферментёра с котлом для перемешивания у поточного ферментёра с втулками при увеличении доли твёрдого вещества в субстрате снижается перемешивание всего содержимого.
Поэтому затрудняется "втулкообразное прохождение" субстрата брожения, что мешает длительному перемешиванию. Подача – это количество и скорость прохождения ферментёра, которые определяются загрузочным насосом.
Относительная скорость разделения увеличивается при снижении доли твёрдого вещества. Поэтому можно сделать следующий вывод: при обработке жидкотекущих субстратов и сточных вод с содержащимися в них органическими веществами поточный ферментёр с втулками крайне непригоден.
4.3.3. ДВУХКАМЕРНАЯ СИСТЕМА
Двухкамерная система является австрийским изобретением и привлекательна пневматической техникой перемешивания, которая осуществляется под давлением газа. В механическом перемешивающем устройстве необходимость отпадает. Размеры ферментера варьируются и регулируются в зависимости от количества подаваемого на переработку субстрата.

Конструкция двухкамерной системы:

1. Газовый купол с автоматическим смесительным клапаном
2. Максимальный уровень шлама
3. Промежуточная крышка
4. Минимальный уровень шлама
5. Свежий субстрат
6. Основная бродильная камера
7. Смесительные лопасти
8. Сливная шахта
9. Постбродильная камера
10. Сливной трубопровод
11. Смесительная шахта
12. Загрузочный трубопровод
13. Центральная труба
14. Основной отвод шлама
Ферментер разделен на функциональные отсеки. Ниже расположенная основная бродильная камера связана с находящейся над ней постбродильной камерой сообщающимися шахтами.
Около крышки данные функциональные отсеки подсоединяются к газопроводу. Из постбродильной камеры произведенный газ подводится дальше по газопроводу к газохранилищу и, наконец, к преобразователю. При блокировке отвода газа освобождающийся из основной бродильной камеры газ сжимается и начинает давить на уровень субстрата.
Субстрат, подвергающийся давлению, выталкивается в постбродильную камеру, расположенную выше. Там происходит отстаивание активной биомассы, которая, при заключительном смешивании, вымывается обратно в основную бродильную камеру. Это приводит к обогащению биомассы в ферментере, что способствует обеспечению более высокой степени разложения.
По достижении желаемого объема смеси избыточное давление газа отводится (с помощью автоматического открывания связующего трубопровода) в постбродильную камеру и подаваемый наверх субстрат может временно стекать обратно в основную бродильную камеру. Части субстрата большой подъемной силой прижимаются при этом к промежуточной крышке, смываются, и вновь перемешиваются, что дает постоянно повторяющееся увлажнение. Песочный осадок, как например, от использования птичьего помета, удаляется через отвод основного шлама.
4.3.4. УПРОЩЕННОЕ СРАВНЕНИЕ СИСТЕМ
Сравнение систем всегда затруднительно, так как разграничение, как правило, является условным. Каковы же сильные и слабы стороны самых распространенных систем?
-Двухамерная система (ZS)
-Поточный ферментер с втулкой (PF)
-Накопительная проточная система с конечным ферментером (TMR)

ОДНОВАЛЕНТНЫЙ СУБСТРАТ		ZS	PF	TMR
Навозная жижа (крупнорогат. скот)	Жидкотекучая	☺	-	☺
	Густотекучая	+	☺	☺
	Жидкотекучая	☺	-	☺
Навозная жижа (свиньи)	Густотекучая	+	☺	☺
	Жидкотекучий	☺	☺	+
Куриный помет	Густотекуч.	-	☺	+
Твердый навоз		-	☺	+

(± 30% c навозной жижей от крупного рогатого скота, свиней и куриным пометом (≥4% Cухой субстанции (TS) и ≤10% TS).

СМЕСИ СУБСТРАТОВ	ZS	PF	TMR
Содержимое закромов	-	☺
Жиры и масла	☺	☺	☺
Флотационный шлам +-30% жира	☺	☺	☺
Флотационный шлам+-10% жира	☺	+	☺
Овощные отходы (сухие)	-	☺	+
Овощные отходы (мокрые)	+	☺	☺
Пищевые отходы (сухие)	-	☺	+
Пищевые отходы (мокрые)	+	☺	☺
Силос из энергетических растений	-	☺	☺

Условные обозначения: Подходит очень хорошо☺, хорошо +, средне - .
4.4. ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БИОГАЗА
Для применения анаэробнопроизведенного биогаза имеется целый ряд технических решений.

4.4.1. СЖИГАНИЕ ГАЗА (Производство тепловой энергии)
В течение десятилетий производство тепловой энергии из биогаза было почти единственной технической возможностью для применения биогаза. В последнее время эта возможность применения биогаза была успешно вытеснена комбинированным использованием энергии.
Использование биогаза только для производства тепловой энергии в результате сжигания газа является экономически интересным вариантом, так как все другие виды применения биогаза как в отношении подготовки технического оснащения, так и по текущим производственным затратам достаточно дорогостоящие. Нецелесообразно накапливать биогаз на длительные сроки. Однако биогаз прекрасно подходит для покрытия потребностей в наиболее напряженные периоды суток, то есть дает возможность покрывать также и определенную основную нагрузку. Другой возможностью использования биогаза является подача газопровода для биогаза к отдельным потребителям. Но из-за технических проблем малых газовых горелок (из-за, к примеру, непостоянного состава биогаза) эта возможность в настоящее время реализуется мало.
Если биогаз подводится для теплового использования, то для этого нужны специальные газовые горелки (газовые горелки без поддува, газовые горелки с поддувом.).
Сфера применения в первую очередь зависит от требуемых величин мощности, в основном применяются редкие типы поддува, главным образом в комбинации с природным газом. Но в принципе могут также эксплуатироваться типы устройств на биогазе. В настоящее время газовые горелки применяются в биогазовых установках прежде всего как подстраховочный агрегат для компенсации возможного простоя BHKW (Блочная нагревательная установка БНУ) и таким образом гарантировать обеспечение тепловой энергией.
4.4.2. КОМБИНИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (КТЭ) (KWK)
Производство электрической энергии с тепловой энергией в качестве побочного продукта. Часто в этой связи применяется термин "Блочная нагревательная установка" (БНУ). На такой электростанции биогаз превращается в двигателе внутреннего сгорания в полезные формы энергии. Для рентабельной эксплуатации современной газовой установки большое значение имеет оптимально функционирующее использование тепловой энергии, в идеале круглый год. Для прохождения биогаза с выделением подлежащей использованию тепловой энергии применяются, в зависимости от размеров установки, различные виды двигателей и разные способы сгорания (бензин, дизель, двигатель смешанного топлива), которые существенно отличаются по своей эффективности, срокам функционирования и инвестиционным затратам.

Как видно из схемы, для использования тепловой энергии от двигателя служит, как правило, холодная вода или горячий отработанный газ. Двигатель внутреннего сгорания приводит в движение подсоединенный к нему генератор, который служит для производства электрической энергии. Для производства электрической энергии применяются в основном асинхронные генераторы, которые отличаются прочной конструкцией.
При комбинировании энергии в настоящее время может быть достигнута наивысшая эффективность преобразования энергии биогаза. Общий КПД (ή общ.) находится в пределах 85-90% использованной энергии.
Самый распространенный в настоящий момент вид установки – это установка со специальным газовым двигателем. Применение различных технологий (бензиновые двигатели Отто, специальные газовые двигатели или двигатели на смешанном топливе) зависит от ряда факторов. Для диапазона малых мощностей (< 50 кВт) в первую очередь используют неоснащенные бензиновые двигатели Отто. Для диапазона больших мощностей применяются частью двигатели на смешанном топливе и специальные газовые двигатели. Для диапазона > 250 кВт в первую очередь применяются специальные газовые двигатели.
4.4.3. ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ
Топливные элементы производят из водорода и кислорода электрическую и тепловую энергию. В качестве продукта электрохимичской реакции выделяется только водяной пар. Во всяком случае, водород для реакции должен подготавливаться, в настоящее время в этих целях применяются природные горючие вещества (природный газ и метанол) или альтернативный анаэробнопроизведенный биогаз. Есть много типов топливных элементов, которые различаются по рабочей тмпературе и виду мембран. Электрическая мощность колеблется в постоянном диапазоне от 1 кВт до 250 кВт.
В настоящее время эксплуатируются топливные элементы на ископаемом природном газе, однако кроме этого ведутся исследования по применению очищенного биогаза.
Используются топливные элементы в областях, в которых желательно иметь высокое электрическое/механическое КПД ( производство электроэнергии, автомобильный привод).
По данным Технического Университета г.Граца
4.4.4. ГАЗОВАЯ МИКРОТУРБИНА
Здесь идет речь о малых быстро вращающихся газовых турбинах с низкими показателями давления в камерах сгорания и низкими показателями температуры. Они были разработаны на базе турбинной технологии и вспомогательных приводов в самолетостроении и применяются прежде всего в виде комбинированных теплоэнергоустановок в децентрализированном энергообеспечении в диапазоне мощности менее 200 кВт. Газовые микротурбины отличаются очень малой эмиссией, незначительными шумами и очень низкой стоимостью затрат на обслуживание. В качестве топлива возможно применение природного газа, биогаза, сжиженного газа, факельного газа и мазута.
Для применения биогаза фирма PRO -2 Anlagentechnik GmbH предлагает газовую турбину мощностью 95 кВт и фирма Gas Energietechnologie GmbH предлагает газовую турбину мощностью 28 кВт .
По данным Технического Университета г.Граца

Газовая турбина
1. Генератор
2. Ввод воздуха
3. Уплотнитель
4. Воздух для сжигания к рекуператору
5. Камера сжигания
6. Турбина
7. Рекуператор
8. Отработанный газ
9. Теплообменник отработанноо газа
10. Отвод отработанного газа
11. Отвод горячей воды
12. Ввод воды

Газовая турбина в разрезе
4.4.5. ПРОЧИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
Наряду с производством тепловой и электрической энергии выделенный биогаз может использоваться альтернативно и в других целях.
4.4.5.1. Подвод сети природного газа
При подключении биогаза в государственную сеть природного газа со стороны потребителей природного газа возникают сомнения в отношении качества и содержания биогаза – непостоянное качество биогаза представляет собой определенную техническую проблему. Очистка газа является сегодня самым большим техническим барьером для подключения биогаза в газовую сеть. Некоторые исследовательские проекты в этой области (например, в Техническом университете Вены) пересматриваются и в дальнейшем, работа над этими проектами будет осуществляться в рамках Европы.
В результате текущей либерализации австрийского газового рынка и принятого на основании этого Закона по подключению газа обозначены правовые и экономические рамки условий.
Подключение биогаза в сеть природного газа и совместное сжигание.
Использование в крупных установках обеспечивает более эффективное использование биогаза в крупных установках КТЭ, высокие электрические КПД (> 50%) являются возможными.
4.4.5.2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГОРЮЧЕГО
В основном биогаз годится в качестве горючего для двигателей с принудительным зажиганием, при этом нет необходимости предпринимать существенное техническое переоборудование двигателей. Другие двигатели (дизельные моторы) или электрохимические установки (например, топливные элементы) нуждаются в техническом переоборудовании или подготовке.
В любом случае использование газа в качестве горючего представляется на сегодняшний момент с экономической точки зрения нецелесообразным, так как биогаз из-за своей небольшой энергетической плотности в больших объемах может транспортироваться только в емкостях под большим давлением. Соответствующие пилотные установки, на базе которых развивается и совершенствуется техника и экономика, в Австрии в настоящее время отсутствуют. Интересным в сфере биогаз/горючее представляется промежуточный этап производства биогаз/метанол. Метанол легко накапливается, он не опаснее бензина или дизеля и почти универсален при применении в двигателях.
4.4.5.3. ПРОИЗВОДСТВО СО2
Многочисленные фирмы и исследовательские институты прежде всего из Германии занимаются исследованием развития систем, которые имеют целью производство высокочистого метана и чистого CO2.
Очищенный CO2 может применяться в сельскохозяйствнных силосных установках или в теплицах и при необходимости заменять ископаемый CO2. Использованный в качестве удобрения CO2 обеспечивает на 20% более высокую урожайность и соответственно более короткое время вегетации растений.
При соответственно высокой чистоте CO2 мог бы быть переработан в химические продукты, как, например, поликарбонатные продукты. Обработка сухого льда и щадящая поверхности пескоструйная обработка с CO2 являются дополнительными сферами применения.
4.5. ОПАСНОСТИ БИОГАЗОУСТАНОВОК
Отсутствие профессионализма при возведении и эксплуатации биогазоустановок может вызвать целый ряд возможных опасностей для человека, животного и окружающей среды. Перечисляемые ниже виды опасностей следует избегать, выполняя соответствующие правила и проводя мероприятия. В ходе подписания протоколов о приемке биогазовой установки особое внимание служб обращается на следующие опасности и их предотвращение.
- Взрыв
- Пожар
- Механическая угроза, например, в результате замерзания, выпадения конденсата, коррозиии, засорения трубопроводов
- Опасность обрушения
- Электрическая угроза
- Удар молнии
- Термическая угроза
- Угроза шума
- Угроза удушья или отравления
- Инфекционная опасность, угроза здоровью в результате воздествия продуктов коферментации
- Угроза проникновения вредных веществ в воздух, почву и поверхностные воды
- Высвобождение вредных веществ при утилизации отходов
- Наводнение
4.6. ПОТЕНЦИАЛ БИОГАЗА
4.6.1. ПОТЕНЦИАЛ БИОГАЗА В АВСТРИИ
Анализируется имеющийся (временный) технический потенциал сырья для ферментации биогаза.
Обзор технически полезного потенциала сырья в Австрии:

	Теоретически полезный объём (мг/г)	Доля объёма сырья (%)	Общая чистая энергия МВт.ч/г	Доля чистой энерг.(%)
Сельское хозяйство (содержание скота)	18,173.887	59,1	2197650	39
Отработанные воды (промышленность, коммуны, бытовое хозяйство)	7,563.215	24,6	341.672	6
Отходы биомусора	307.648	1,0	116.734	2
Отходы от убоя скота	189.970	0,6	81.729	1
Производство крахмала	16.400	0,1	1.560	0
Законсервированные земли	4,518.720	14,7	2925453	52
Итого:	30,766.840	100	5664798	100

По данным: Аммоний, законсерв и рованные площади. Аграрный рынок Австрии 200 2г. ( BOKU Вена 1997г.).
Ежегодно в масштабах страны имеется в сумме мин. 30 млн. мг. тонн биогенного сырья. При этом большая часть приходится на сельскохозяйственные удобрения в виде твердого навоза, навозной и фекальной жидкости и на энергетические растения. Оставшаяся часть приходится на подвергающиеся ферментации несельскохозяйственные органические отходы. Внутри последней категории самый больший объём (7,6 млн. тонн) составляют фекалии из очистных ям и очистной шлам от коммунальных, ремесленных и промышленных очистных установок. Оставшиеся категории имеют из данной перспективы для масштабов федерации небольшое значение.
Потенциал биогаза Австрии
Чистая энергия (МВт.ч/г)

Законсервированные земли 2,925.453
Сельское хозяйство (содержание скота) 2,197.650
Отработанные воды (промышленность, коммуны, бытовое хоз-во) 341.672
Отходы биомусора 116.734
Отходы от убоя скота 81.729
Производство крахмала 1.560
По данным: Аммоний, законсерв и рованные площади. Аграрный рынок Австрии 2002г. ( BOKU Вена 1997г.)
В результате ферментации выше приведённых технически полезных объёмов сырья возможна добыча указанных объёмов энергии.
Из 5.664 ГВт.ч/г, которые могут производиться из чисто технически имеющихся объёмов сырья, около 59% приходятся на сельскохозяйственные удобрения (содержание скота). Оставшиеся 24% составляют объёмы сырья, образующиеся в результате очистки сточных вод. И 14% - это потенциал энергетических растений, выращиваемых на законсервированных площадях.
Подсчёты аммония показывают, что для полного использования имеющихся удобрений (навозной жижи) и объёмов отходов в масштабах Австрии были бы необходимы до 45.000 средних установок на биогазе. Именно такое количество позволит использовать имеющийся потенциал.
4.6.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ В ШТИРИИ
В основном оценивался временный имеющийся потенциал объёмов для производства биогаза, который перерасчитывался в реально производимые объёмы энергии.
Полезный энергетический потенциал для Штирии:

	Тепловая энергия МВт.ч/г	Электроэнергия (МВт.ч/г)	Общая энергия (МВт.ч/г)
Содержание скота	158.589	110.976	269.564
Убой скота	990	693	1.682
Очистные сооружения	14.306	10.011	24.317
Биомусор	14.975	10.479	25.454
Законсервированные площади	167.701	117.352	285.054
Итого:	356.561	249.510	606.072

Потенциал биогаза Штирии
Чистая энергия ( МВт.ч/г)

Законсервированные земли 285.054
Сельское хозяйство (содержание скота) 269.564
Отходы от убоя скота 1.682
Отработанные воды (очистные установки) 24.317
Биомусор 25.454
По данным: LEA - Рынок Восточной Штирии
4.7. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ БИОГАЗА
4.7.1. ПРЕИМУЩЕСТВА
1). Биогазовая навозная жижа более эффективна как удобрение по сравнению с неферментированной навозной жижей, так как в результате минерализации суживается соотношение C/N и навозная жижа лучше усваивается растениями. Её даже можно применять затем в качестве подкормки во время фазы роста.
При эксплуатации установки на биогазе получают почвосодержащее и ценное удобрение, которое можно продолжительное время добывать и применять. В отличие от неферментируемой навозной жижи биогазовая навозная жижа щадит живые существа почвы, например дождевого червя, который, в свою очередь, положительно воздействует на образование гумуса. Как показывает опыт, уже через короткое время (3-4 года) достигается улучшение почвы. Это означает улучшение гумусного слоя. Благодаря этому в период длительной засухи такие почвы высыхают лишь на поверхности, не образуются заметные мелкие трещины; и тем самым значительно дольше сохраняется влажность почвы. Тем самым снижается негативное влияние дорогих химических (минеральных) удобрений на живые организмы почвы.
2). Вместо обычной утилизации органических отходов производится энергия, и используются питательные вещества. Тем самым в основе биогазовой технологии лежит идея благоприятной для окружающей среды циркулирующей экономики и децентрализованной утилизации отходов. Фермеры, которые при соблюдении определённых правил утилизируют и органические отходы коммун, играют уже новую роль в населённом пункте. На основании производства регенеративного энергоносителя биогаза при разложении органического материала установки на биогазе способствуют последовательному бережному отношению к ресурсам. В результате использования биогазовой навозной жижи улучшается состав почвы, на более длительный период обеспечивается защита воды, и также предотвращаются возможные наводнения.
3). Увеличивая к 2010 г. минимум вдвое объём новейших энергий и развивая и распространяя дальше на базе установок на биогазе благоприятные для окружающей среды технологии, применение биогаза служит и поддержке цели по защите климата. К данному аргументу следовало бы постоянно прибегать в дискуссиях фермерам, политикам, проектировщикам местности и различным, занимающимся данной тематикой, службам. Существенным благом для окружающей среды от использования биогазовой технологии является уменьшение эмиссии, имеющей тепличный эффект, прежде всего метана (СН4), закиси азота (NО2) и диоксида углерода (CO2). В CO2 освобождается лишь тот объём, который до этого уже был связан растениями, и в атмосферу не отпускается без контроля метан, который приблизительно в 30 раз более эффективен.
4). Произведённая энергия может использоваться для удовлетворения потребности в тепле при обогреве зданий и для подогрева воды на бытовые нужды. Дополнительным аргументом выгоды является то, что производство электрической энергии поощряется повышенным тарифом на подключение и компоненты, которые необходимы для распределения тепла от термической энергии, поощряются согласно последним директивам по развитию на 30%.
5). К тому же обеспечиваются, сохраняются и частично формируются заново рабочие места в сельском хозяйстве. С концепцией хорошего и функционированного менеджмента удобрений фермеры могут работать эффективно, с экономией времени и тем самым также более хозяйственно.
Новой экономической отраслью для сельского хозяйства могла бы быть в будущем продажа удобрений или предложения хорошего менеджмента удобрений.
Тем самым фермеры могли бы превратиться из производителей энергии в производителей удобрений (дополнительный имидж - местные удобрения высокого качества).
На этой базе могло бы получиться тесное сотрудничество между сельскохозяйственнными предприятиями, коммунами а также ремёслами / промышленностью.
6). С формированием объединений по использованию навозной жижи затраты на содержание машин могут быть снижены и может быть достигнуто эффективное использование машин. Благодаря комбинации тепловой и электрической энергии осуществляется производство тепловой и электрической энергии, что обеспечивает непосредственно пользователю установкой гарантированный доход.
7). В процессе ферментации снижается число патогенных образований (прежде всего кишечной палочки и сальмонеллы) и снижается способность к прорастанию семян у сорняков. (По вопросам гигиены при сбраживании справки даёт FA (отраслевой комитет)19D – смотри приложение 10.10. Консультационные пункты по биогазу Штирии). Следующим преимуществом является экономия промышленных удобрений и средств по защите растений и защите воды. Биогазовая навозная жижа способна эффективно замещать минеральные удобрения и сохранять питьевую воду.
8). Эффективность навозной жижи возрастает в результате анаэробной обработки. Выделение запаха сокращается до 80%, так как интенсивно разлагаются сильно пахнущие вещества, такие как, например, летучие жирные кислоты или фенолы. В результате гомогенизации возрастает насосность и растекаемость. Тем самым достигается более равномерное и лучшее распределение при внесении.
9). Получение двойной выгоды от консервации площадей происходит в результате использования площадей в энергетических целях и в результате получения премии за законсервированную площадь (332 Евро [4.568,56 АТS*/га).* Австрийск и е шиллнги. Появилась возможность выращивать на законсервированных площадях энергетические растения (например кукурузу, рапс и т.д.), удобрять их согласно хорошей сельскохозяйственной практике и в итоге подавать в установку на биогазе; но до этого растения должны быть так обработаны, чтобы они уже не годились на употребление человеком и животным (денатурация).
В основном возможно, что каждое сельскохозяйственное предприятие консервирует 10% - 50% своей сельскохозяйственной полезной площади (СП), выделяет эти земли под установку на биогазе и получает за это денежную компенсацию. Однако средним производителям (более 17,46 га СП) настоятельно предписывается консервировать 10%.
Так как директивы по поощрению в законсервированных площадях часто меняются, то рекомендуется обращаться в консультационные пункты Сельскохозяйственной палаты.
4.7.1. НЕДОСТАТКИ
- Более высокий уровень pH отходов от фермертации;
- Более высокая летучесть аммиака, и поэтому необходимо близкое к почве внесение (буксирный шланг, буксирный наконечник);
- Складирование биогаза в закрытых ёмкостях.
4.8.РЕНТАБЕЛЬНОСТЬ БИОГАЗОУСТАНОВОК
Затраты на биогазоустановку образуются из: затрат на производство или закупку субстрата; распределённых на срок пользования инвестиционных затрат, (отчисления, выплата процентов); затрат на подключение к государственной сети электроэнергии; текущих затрат (обслуживание и ремонт, производственные средства) и из оплаты труда ( обслуживание установки).
Затратам противостоят гарантированные доходы от продажи электрической и тепловой энергии, а также возможные доходы от совместной переработки косубстратов.
Из экологического и экономического аспекта наряду с подключением электрической энергии следует обратить внимание также на широкое использование произведённой тепловой энергии. Прежде всего в концепции установки должно учитываться также и использование тепловой энергии в летние месяцы.
При строительстве биогазовой установки следует получать дополнительную информацию по последним предоставляемым поощрениям (дотации, ссуды по низким процентам), По этому вопросу смотри также главу 5 "Поощрения для биогазоустановок".
Для расчёта рентабельности имеется специально для биогазоустановок разработанная программа электронной обработки данных (ЭКОГАЗ), которой для экономической оценки установок на биогазе пользуется соответствующая Палата по сельскому и лесному хозяйству.
Рентабельность установок на биогазе
Пример прибыльности (срок пользования 20 лет)

4.9.МОТИВАЦИЯ ВОЗВЕДЕНИЯ БИОГАЗОУСТАНОВОК
Ниже приводятся основные мотивы/причины, которые могут послужить для заинтересованного лица или для группы лиц поводом для возведения биогазоустановки.
Естественно на практике имеется часто несколько мотивов.
- Создание дополнительной экономической опоры: заработать деньги – произвести экологически безопасную электрическую энергию
Гипотеза а) Фермер или группа фермеров не видят в чистом производстве мяса и кормов достаточной возможности для получения прибыли и ищут альтернативное решение. Возведение биогазовой установки является для фермеров идеальной возможностью применения их собственных технологий в обработке пахотных площадей и в животноводстве; они имеют ремесленные навыки, которые пригодятся при возведении установки и при её дальнейшей эксплуатации.
Гипотеза b) Ремесленные или также промышленные предприятия, в основном энергоинтенсивного производства (мясоперера-батывающие комбинаты, скотобойни, кожевенные фабрики) или энергопроизводства (энерго- и теплообеспечивающие предприятия и т.д.) видят в эксплуатации биогазоустановок возможность извлечения долгосрочных и постоянных доходов.
Гипотеза с) Метеообъединение старается соблюдать взятые на себя обязательства и планирует возведение биогазоустановки, чтобы самостоятельно производить по возможности больший объём необходимой электрической энергии из сырья, принадлежащего общине, и подключать избыточную электроэнергию в виде экологически безопасной электроэнергии к государственной энергетической сети.
Гипотеза d): Энергоснабжающий союз стремится следовать своим обязательствам (4% электроэнергии из возобновляемых видов энергии до 2008 года) по производству биогаза.
- Возможности использования большого количества биогенного сырья
Гипотеза а) Община должна ухаживать за своими многочисленными озеленёнными площадями и не располагает достаточными возможностями утилизации опавших листьев и плодов. В настоящее время утилизация укоса травяного покрова осуществляется в ближайшей компостной установке (в результате возникают расходы).
Гипотеза b) Многочисленные пансионаты, гостиницы, рестораны поставляют огромное количество пищевых и биоотходов. С 30.04. 2004 г. вступает в силу запрет на скармливание скоту отходов (ЕС-Распоряжение в области гигиены). В результате утилизации отходов специальными фирмами возникают для отдельных предприятий существенные финансовые нагрузки.
Гипотеза с) Местное дорожное управление несёт обязательства по содержанию дорог. Регулярно должна скашиваться трава на обочинах дорог и на близлежащих лугах, должны подрезаться кусты и деревья вдоль дорог и т.д..Возникающее при этом сырьё остаётся лежать обычно на месте и не подвергается утилизации. Во время сильных дождей остатки травы часто забивают отводные установки и вызывают тем самым большие проблемы и требуют дополнительной работы. В самых редких случаях скошенная трава доставляется в компостную установку или складируется для неопределённых целей на собственных депонентных площадях. Найти возможность применения данного сырья стремится общественное управление.
Гипотеза d) Схожую, с обозначенной в гипотезе с), проблему имеют владельцы больших земельных площадей как например владельцы взлётных площадок. Сырьё, постоянно возникающее в результате укоса травы, представляет существенную проблему при утилизации.
Гипотеза е) Естественно, что на скотобойне или на мясоперерабатывающем предприятии образуется большое количество остатков мяса, обрези жира и отходов от убоя скота. Данные отходы должны подвергаться утилизации на основании Технического Контрольного Предписания и предприятия вынуждены оплачивать существенные налоги на утилизацию. Повысились затраты на утилизацию и в результате значительного повышения (в соответствии с Техническим Контрольным Предписанием) обязательных тарифов с 01.01.2002 г. Также на близлежащих предприятиях по переработке продуктов питания образуется большое количество биогенных отходов, например, бракованных продуктов или продуктов с истекшим сроком реализации, которые тоже могут поставляться в установку на биогазе.
- Проблема запаха
Гипотеза а) На территории общины находятся многочисленные предприятия по содержанию скота (свиньи или рогатый скот) и птицы (куры). Естественно, что хлева и курятники с их неизбежной вентиляцией (открытые окна или что-то похожее) являются причиной сильных эмиссий запахов в течение всего года. Дополнительно возникают длительные эмиссии запахов в результате складирования навозной жижи в большей частью открытых хранилищах. Кроме этого эмиссии запахов происходят и переодически при внесении навозной жижи в виде удобрения в землю а также ещё несколько дней после этого. Но община является быстро развивающимся туристическим пунктом и пропагандирует туризм высокого качества в красивой местности. Постоянные же неприятные запахи негативно сказываются на туристических амбицииях. Поэтому община заинтересована в решении данной проблемы.
Гипотеза b) Cам пользователь (если он ещё не приобрёл иммунитет на запах из своих хлевов) сознаёт, что его предприятие является источником неприятных запахов. Естественно, он хочет быстро решить данную проблему. Фермер заинтересован в производстве собственной электрической и тепловой энергии, так как он, имея большое количество скота, нуждается в значительном объёме энергии и тем самым вынужден нести существенные затраты на эти цели.
5. СОДЕЙСТВИЕ УСТАНОВКАМ НА БИОГАЗЕ
Содействие установкам на биогазе для производства электрической энергии, которые подключены не в государственную сеть, осуществляет АО (AG) Коммунальный Кредит Австрия для установок, производящих электрическую энергию. При этом может осуществляться финансирование газопроводов и сборных контейнеров в отдельно расположенных населённых пунктах (исключаются фермеры, на которых распространяется сельскохозяйственное содействие). Смотри Приложение: Установки, производящие электрическую энергию.
Содействие производству электрической энергии осуществляется по Предписанию на подключение экологически безопасной электроэнергии (смотри Приложение: Компенсации для экологического электроэнергии из биогаза). Тарифы зависят от размеров установки и состава субстратов.
Чтобы рационально использовать избыточное тепло, которое возникает при производстве электрической энергии , Коммунальным кредитом поощряется распределение тепла по Программе теплового распределения, (Приложение к Договору по распределению тепла). При этом могут быть также расширены существующие теплораспределительные сети. Нынешнее уменьшение необходимой доли Федеральной земли (сокращение бюджета) вызывает необходимость проведения в этих целях новых переговоров полномочных ответственных представителей от государственного управления и представителей заинтересованных сторон.
Готовится инвестиционное содействие от Экологоэнергетического фонда. Пилотные установки с особыми техническими решениями могут финансироваться из поощрений, выделяемых на исследовательские цели.
Для развития чисто крестьянских установок существует собственный путь поощрения через Палату Федеральной земли по лесному и сельскому хозяйству Штирии. Обзор современных возможностей поощрения установок на биогазе можно найти в Приложении. Так как возможности поощрения могут часто очень быстро изменяться, то делаются ссылки на цитаты из Приложения.