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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Grundlagen der Biogastechnologien. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Was ist eine Biogasanlage? Eine Biogasanlage ist in der Regel ein hermetisch abgeschlossener Behälter, in dem bei einer bestimmten Temperatur organische Stoffe aus Abfällen, Abwasser etc. vergoren werden. mit der Bildung von Biogas. Das Funktionsprinzip aller Biogasanlagen ist das gleiche: Nach dem Sammeln und Aufbereiten des Rohmaterials, das darin besteht, es in einem speziellen Behälter auf die erforderliche Feuchtigkeit zu bringen, wird es dem Reaktor zugeführt, wo Bedingungen für eine optimale Rohstoffverarbeitung geschaffen werden Verfahren. Der Prozess der Herstellung von Biogas und Biodünger aus Rohstoffen wird als Fermentation oder Fermentation bezeichnet. Die Fermentation der Rohstoffe erfolgt aufgrund der lebenswichtigen Aktivität spezieller Bakterien. Bei der Gärung bildet sich auf der Oberfläche des Rohmaterials eine Kruste, die durch Mischen des Rohmaterials zerstört werden muss. Das Mischen erfolgt manuell oder mit speziellen Geräten im Reaktor und trägt zur Freisetzung des entstehenden Biogases aus dem Rohstoff bei. Das entstehende Biogas wird nach der Reinigung gesammelt und bis zur Nutzung in einem Gastank gespeichert. Vom Gastank bis zum Einsatzort in Haushalts- oder anderen Geräten wird Biogas über Gasleitungen transportiert. Die im Reaktor der Biogasanlage zu Biodünger verarbeiteten Rohstoffe werden über die Austragsöffnung ausgetragen und auf den Boden ausgebracht oder als Futterzusatz für Tiere verwendet.
Optimierung der Verarbeitung von Rohstoffen Zu den notwendigen Bedingungen für die Verarbeitung organischer Abfälle im Reaktor einer Biogasanlage gehören neben der Aufrechterhaltung eines sauerstofffreien Regimes:
Arten von Biogasanlagen Es gibt viele verschiedene Bauformen von Biogasanlagen. Sie unterscheiden sich durch die Art der Beladung mit Rohstoffen, durch ihr Aussehen sowie durch die Bestandteile der Struktur und die Materialien, aus denen sie hergestellt sind. Je nach Art der Rohstoffverladung werden Batch- und kontinuierliche Verladeeinheiten unterschieden, die sich in der Fermentationszeit und der Regelmäßigkeit der Rohstoffverladung unterscheiden. Am effektivsten im Hinblick auf die Biogasproduktion und Biodüngerproduktion sind Anlagen mit kontinuierlicher Beschickung. Das Erscheinungsbild der Anlagen unterscheidet sich je nach Art der Ansammlung und Speicherung von Biogas. Gas kann im oberen festen Teil des Reaktors, unter einer flexiblen Kuppel oder in einem speziellen Gastank gesammelt werden, der schwimmend oder getrennt vom Reaktor steht. Vorteile der Verwendung von Biogastechnologien Eine gut funktionierende Biogasanlage bringt zahlreiche Vorteile für ihren Besitzer, die Gesellschaft und die Umwelt insgesamt: Geld sparen:
Möglichkeit, zusätzliches Geld zu erhalten:
Schnelle Amortisation von Installationen:
Einsparung von Zeit, Platz und Frauenarbeit:
Vorteile für die Umwelt:
Mehr über Biogas Biogas entsteht mit Hilfe von Bakterien beim Abbau von organischem Material unter anaeroben (ohne Luft) Bedingungen und ist eine Mischung aus Methan und anderen Gasen in folgenden Anteilen: Tabelle 1. Zusammensetzung von Biogas
Der Heizwert eines Kubikmeters Biogas beträgt je nach Methangehalt 20-2S MJ/m3, was der Verbrennung von 0,6 - 0,8 Liter Benzin entspricht; 1,3 - 1,7 kg Brennholz oder 5 - 7 kW Stromverbrauch'3. Biologisches Fermentationsverfahren Bei der Vergärung von Rohstoffen in Biogasanlagen zersetzen methanproduzierende Bakterien organische Stoffe und geben die Zersetzungsprodukte in Form von Biogas und anderen Bestandteilen an die Umwelt zurück. Für die Auswahl, den Bau und den Betrieb von Biogasanlagen sind Kenntnisse über den Vergärungsprozess erforderlich. Zusammensetzung der Rohstoffe und Biogasproduktion Grundsätzlich unterliegen alle organischen Stoffe Gärungs- und Zersetzungsprozessen. In einfachen Biogasanlagen ist es jedoch vorzuziehen, nur homogene und flüssige organische Abfälle zu verarbeiten: Exkremente und Urin von Nutztieren, Schweinen und Vögeln, menschlicher Kot. In komplexeren Biogasanlagen können auch andere Arten organischer Abfälle verarbeitet werden – Pflanzenreste und feste Abfälle. Die erzeugte Biogasmenge hängt von der Art des verwendeten Rohstoffs und der Temperatur des Vergärungsprozesses ab. Biogasnutzung
Biogas kann in allen Gasgeräten verwendet werden, ebenso wie Erdgas. Am effektivsten wird Biogas zum Kochen, Heizen, zur Stromerzeugung und zum Betanken von Autos genutzt. Über Biodünger In Kirgisistan, wie auch in vielen anderen Entwicklungsländern, besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Düngemittelproblematik und der Bodendegradation sowie der Abholzung der Wälder aufgrund der hohen Nachfrage nach Brennholz. In ländlichen Gebieten werden getrockneter Mist (Mist) und organische Abfälle häufig zum Kochen und Heizen von Wohnräumen verbrannt. Diese Verwendung organischer Abfälle führt zu erheblichen Verlusten an Pflanzennährstoffen, die die Landwirtschaft zur Aufrechterhaltung der Bodenfruchtbarkeit benötigt. Der Einsatz von Biogastechnologien gewährleistet eine maximale Nutzung der der Landbevölkerung zur Verfügung stehenden Ressourcen: Der nach der Biogasproduktion verbleibende Bioschlamm ist ein wirksamer Dünger, der die Gesamtqualität des Bodens verbessert und die Produktivität steigert. Eigenschaften von Biodüngemitteln Biodünger enthält eine Reihe organischer Substanzen, die dazu beitragen, die Durchlässigkeit und Hygroskopizität des Bodens zu erhöhen, gleichzeitig Erosion zu verhindern und die allgemeinen Bodenbedingungen zu verbessern. Organisches Material bildet auch die Grundlage für die Entwicklung von Mikroorganismen, die Nährstoffe in eine Form umwandeln, die von Pflanzen leicht aufgenommen werden kann. Die Praxis zeigt, dass die Pflanzenproduktivität durch den Einsatz von Biodüngern deutlich steigt. Geschichte der Entwicklung von Biogastechnologien In China, Indien, Assyrien und Persien wurden ab dem 3,5. Jahrhundert v. Chr. vereinzelte Fälle des Einsatzes primitiver Biogastechnologien registriert. Die systematische wissenschaftliche Erforschung von Biogas begann jedoch erst im XNUMX. Jahrhundert n. Chr., fast XNUMX Tausend Jahre später.
Im Jahr 1764 beschrieb Benjamin Franklin in einem Brief an Joseph Priestley ein Experiment, bei dem es ihm gelang, die Oberfläche eines flachen sumpfigen Sees in New Jersey, USA, in Brand zu setzen. Die erste wissenschaftliche Grundlage für die Entstehung brennbarer Gase in Sümpfen und Seesedimenten lieferte Alexander Volta im Jahr 1776, als er das Vorhandensein von Methan im Sumpfgas feststellte. Nach der Entdeckung der chemischen Formel von Methan durch Dalton im Jahr 1804 unternahmen europäische Wissenschaftler die ersten Forschungsschritte zur praktischen Nutzung von Biogas. Auch russische Wissenschaftler leisteten ihren Beitrag zur Erforschung der Biogasbildung. Der Einfluss der Temperatur auf die freigesetzte Gasmenge wurde 1875 von Popov untersucht. Er fand heraus, dass Flusssedimente bei Temperaturen um 6°C beginnen, Biogas freizusetzen. Bei einem Temperaturanstieg auf 50 °C nahm die Menge des freigesetzten Gases deutlich zu, ohne dass sich die Zusammensetzung änderte – 65 % Methan, 30 % Kohlendioxid, 1 % Schwefelwasserstoff und eine kleine Menge Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid. V.L. Omelyansky untersuchte eingehend die Natur der anaeroben Fermentation und die daran beteiligten Bakterien. Bald darauf, im Jahr 1881, begannen europäische Wissenschaftler mit der Nutzung von Biogas zum Heizen von Räumen und zur Beleuchtung von Straßen. Ab 1895 wurden Straßenlaternen in einem Stadtteil von Exeter mit Gas versorgt, das durch Vergärung von Abwasser gewonnen und in geschlossenen Behältern gesammelt wurde. Zwei Jahre später wurde berichtet, dass in Bombay Biogas produziert wurde, wo das Gas in einem Sammler gesammelt und als Kraftstoff in verschiedenen Motoren verwendet wurde. Zu Beginn des 1914. Jahrhunderts wurde weiterhin auf dem Gebiet der Erhöhung der Biogasmenge durch Erhöhung der Gärtemperatur geforscht. Deutsche Wissenschaftler Imhoff und Blank 1921-XNUMX. patentierte eine Reihe von Innovationen, die in der Einführung einer konstanten Erwärmung von Behältern bestanden. Während des Ersten Weltkriegs verbreiteten sich Biogasanlagen aufgrund von Brennstoffknappheit in ganz Europa. Betriebe, die über solche Anlagen verfügten, befanden sich in einem günstigeren Zustand, obwohl die Anlagen noch nicht perfekt waren und alles andere als optimale Bedingungen herrschten. Einer der wichtigsten wissenschaftlichen Schritte in der Geschichte der Entwicklung von Biogastechnologien sind Buswells erfolgreiche Experimente zur Kombination verschiedener Arten organischer Abfälle mit Gülle als Rohstoffen in den 30er Jahren des XNUMX. Jahrhunderts. Die erste große Biogasanlage wurde 1911 in der englischen Stadt Birmingham gebaut und diente der Desinfektion des städtischen Klärschlamms. Das erzeugte Biogas wurde zur Stromerzeugung genutzt. Damit sind englische Wissenschaftler Pioniere bei der praktischen Anwendung neuer Technologien. Bis 1920 hatten sie verschiedene Arten von Abwasseraufbereitungsanlagen entwickelt. Die erste Biogasanlage zur Behandlung fester Abfälle mit einem Volumen von 10 m3 wurde von Isman und Ducelier entwickelt und 1938 in Algerien gebaut. Während des Zweiten Weltkriegs, als es an Energieressourcen mangelte, legten Deutschland und Frankreich Wert auf die Produktion von Biogas aus landwirtschaftlichen Abfällen, hauptsächlich Tiermist. In Frankreich waren Mitte der 40er Jahre etwa 2 Biogasanlagen zur Gülleverarbeitung in Betrieb. Ganz natürlich breitete sich diese Erfahrung auf die Nachbarländer aus. In Ungarn gab es Fabriken zur Herstellung von Biogas. Dies wurde von Soldaten der Sowjetarmee, hauptsächlich Menschen aus ländlichen Gebieten der UdSSR, bemerkt, die Ungarn von deutschen Truppen befreiten und überrascht waren, dass auf Bauernhöfen Viehmist nicht in Haufen lag, sondern in geschlossene Container verladen wurde, aus denen Sie erhielten brennbares Gas. Europäische Anlagen der Vorkriegszeit konnten der Konkurrenz der Nachkriegszeit durch billige Energieträger (flüssige Brennstoffe, Erdgas, Strom) nicht standhalten und wurden abgebaut. Einen neuen Impuls für ihre Entwicklung auf neuer Basis gab die Energiekrise der 70er Jahre, als in den Ländern Südostasiens die spontane Einführung von Biogasanlagen begann. Die hohe Bevölkerungsdichte und intensive Nutzung aller für den Anbau landwirtschaftlicher Nutzpflanzen geeigneten Flächen sowie ein ausreichend warmes Klima, das für den Einsatz von Biogasanlagen in der einfachsten Variante ohne künstliche Rohstofferwärmung erforderlich ist, bildeten die Grundlage für verschiedene nationale und internationale Programme zur Einführung von Biogastechnologien. Heute sind Biogastechnologien zum Standard für die Abwasserbehandlung und Verarbeitung landwirtschaftlicher und fester Abfälle geworden und werden in den meisten Ländern der Welt eingesetzt. Die entwickelten Länder In den meisten entwickelten Ländern wird die Verarbeitung organischer Abfälle in Biogasanlagen häufiger zur Erzeugung von Wärme und Strom genutzt. Die so erzeugte Energie macht etwa 3-4 % des gesamten Energieverbrauchs in europäischen Ländern aus. In Finnland, Schweden und Österreich, die die Nutzung von Biomasseenergie auf nationaler Ebene fördern, erreicht der Anteil der Biomasseenergie 15–20 % des gesamten Energieverbrauchs. Die Nutzung von Strom und Wärme, die durch anaerobe Biomassevergärung erzeugt werden, konzentriert sich in Europa hauptsächlich auf Österreich, Finnland, Deutschland, Dänemark und das Vereinigte Königreich. Derzeit gibt es in Deutschland rund 2000 große Vergärungsanlagen. Die Zahl der Biogasanlagen mit Reaktorvolumina von jeweils mehr als 2000 m3 liegt in Österreich derzeit bei über 120, davon sind etwa 25 Anlagen in Planung und Bau. Abbildung 4 zeigt eine Industrieanlage in der Stadt Ribe, die jährlich 164 Tonnen Biomasse verarbeitet und 5.5 Millionen m3 Biogas produziert, das zur Wärme- und Stromerzeugung an das Heizkraftwerk einer Nachbarstadt verkauft wird. Die Gülle wird täglich von Landwirten geliefert, die auf der Grundlage eines Vertrags handeln und daran interessiert sind, bereits verarbeitete Gülle in Form von Biodüngern zu erhalten. Ein hoher Marktentwicklungsgrad für Biogastechnologien ist in den Bereichen kommunales Abwasserrecycling, industrielle Abwasserbehandlung und landwirtschaftliche Abfallentsorgung zu finden. In Schweden liefert Biomasseenergie 50 % der benötigten Wärmeenergie. In England, dem Geburtsort des ersten industriellen Biogasreaktors, konnten mit Hilfe von Biogas bereits 1990 alle Energiekosten in der Landwirtschaft gedeckt werden. London verfügt über einen der größten Abwasseraufbereitungskomplexe der Welt.
In den 30er Jahren wurden die Erfahrungen aus Europa in die USA übertragen. Die Biogasanlage zur Verarbeitung von tierischen Abfällen wurde 1939 erbaut und war mehr als 30 Jahre lang erfolgreich in Betrieb. 1954 wurde in Fort Dodge, Iowa, USA, die erste kommunale Abfallverarbeitungsanlage zur Produktion von Biogas gebaut. Biogas wurde einem Verbrennungsmotor zur Stromerzeugung mit einer Generatorleistung von 175 kW zugeführt. Mittlerweile gibt es in den Vereinigten Staaten mehrere hundert große Biogasanlagen, die tierische Abfälle verarbeiten, und Tausende von Anlagen, die kommunales Abwasser nutzen. Biogas wird hauptsächlich zur Stromerzeugung, zum Heizen von Häusern und Gewächshäusern verwendet. Zunehmende Treibhausgasemissionen, zunehmender Wasserverbrauch und zunehmende Wasserverschmutzung, sinkende Bodenfruchtbarkeit, ineffektive Abfallbewirtschaftung und zunehmende Entwaldungsprobleme sind Teil der nicht nachhaltigen Nutzung natürlicher Ressourcen auf der ganzen Welt. Biogastechnologien sind einer der wichtigen Bausteine in der Maßnahmenkette zur Bekämpfung der oben genannten Probleme. Die Prognose für das Wachstum des Beitrags von Biomasse als Quelle erneuerbarer Energien in der Welt geht davon aus, dass bis 23,8 ein Anteil von 2040 % am Gesamtenergieverbrauch erreicht wird, und bis 2010 planen die EU-Länder, diesen Anteil auf 12 % zu erhöhen.
Entwicklungsländer Der Anteil der aus Biomasse gewonnenen Energie beträgt in Entwicklungsländern etwa 30–40 % des gesamten Energieverbrauchs und in einigen Ländern (hauptsächlich in Afrika) erreicht er 90 %24. In Entwicklungsländern ist es üblich, Energie und Wärme durch die Verarbeitung von Abfällen in kleinen Biogasanlagen zu erzeugen. Rund 16 Millionen Haushalte weltweit nutzen Energie aus Biogasanlagen zum Beleuchten, Heizen und Kochen. Dazu gehören 12 Millionen Haushalte in China, 3,7 Millionen Haushalte in Indien und 140 Haushalte in Nepal25. Im ländlichen China sind derzeit mehr als 50 Millionen Menschen auf Biogas als Kraftstoff angewiesen. Eine typische Biogasanlage hat ein Reaktorvolumen von etwa 6–8 m3, produziert 300 m3 Biogas pro Jahr, ist 3 bis 8 Monate lang jährlich in Betrieb und kostet je nach Provinz etwa 200–250 US-Dollar. Die meisten Installationen sind sehr einfach und nach einer gewissen Schulung können Landwirte die Installationen selbst bauen und betreiben. Seit 2002 stellt die chinesische Regierung jährlich rund 200 Millionen US-Dollar zur Verfügung, um den Bau von Biogasanlagen zu unterstützen. Der Zuschuss für jede Installation beträgt etwa 50 % der durchschnittlichen Kosten. Damit hat die Regierung eine jährliche Steigerung der Zahl der Biogasanlagen auf 1 Million pro Jahr erreicht. In China sind mehrere tausend mittlere und große Anlagen industriell in Betrieb, Tendenz steigend. In Indien begann die Entwicklung einfacher Biogasanlagen für ländliche Gehöfte in den 50er Jahren. Heute sind in Indien etwa 3,7 Millionen Biogasanlagen in Betrieb. Das Ministerium für nichtkonventionelle Energie Indiens ist seit den 1980er Jahren an der Umsetzung von Biogasanlagen beteiligt und hat Subventionen und Finanzierungen für den Bau und Betrieb von Biogasanlagen, die Schulung von Landwirten sowie die Eröffnung und den Betrieb von Servicezentren bereitgestellt. Die Vergasung und thermische Energieerzeugung aus Biogasanlagen ist in vielen Entwicklungsländern ein wachsender Wirtschaftszweig. Auf den Philippinen produzieren Biogasanlagen seit den 1980er Jahren Gas, um Motoren anzutreiben, die Reis mahlen und die Bewässerung antreiben. Die Nutzung von Biogas durch kleine Gewerbebetriebe in Indien, Indonesien, Sri Lanka (zum Beispiel in der Textilindustrie oder zum Trocknen von Gewürzen, Ziegeln, Gummi) hat sich in weniger als einer Saison amortisiert. UdSSR, GUS und Kirgisistan In der UdSSR werden die wissenschaftlichen Grundlagen der Methanfermentation seit den 40er Jahren des XNUMX. Jahrhunderts untersucht. Während der gesamten Existenz der UdSSR beteiligten sich Institute der Akademie der Wissenschaften an der theoretischen Forschung, und angewandte Forschung wurde an der nach ihr benannten Akademie für öffentliche Versorgungsbetriebe durchgeführt. Panfilov und Forschungs- und Designinstitute des Agrarsektors, wie zum Beispiel: das All-Union-Institut für Elektrifizierung der Landwirtschaft (VIESKh), das Ukrainische Forschungs- und Designinstitut des agroindustriellen Komplexes (UkrNIIgiproselkhoz) und andere. Das Hauptzentrum für die Entwicklung von Entwürfen für heimische Biogasanlagen (sowie für andere Maschinen zur Verarbeitung landwirtschaftlicher Abfälle) war das Zaporozhye Design and Technological Institute of Agricultural Engineering (KTISM). Die von Wissenschaftlern gesammelten Daten bildeten die Grundlage für die Schaffung mehrerer Labor- und Pilotanlagen, aber nur ein Entwurf durfte staatliche Abnahmetests durchlaufen – KOBOS-1. Die KOBOS-1-Installation wurde auf der Grundlage eines experimentellen Labors für Milchviehbetriebe erfolgreich getestet und für die Serienproduktion in einem Werk in der Stadt Shumikha in der Region Kurgan (Nordural) zugelassen. Es wurde nach dem Programm zur Beherrschung der Technologie der anaeroben Abfallverarbeitung als Option für Serienanlagen für mittelgroße Tierhaltungsbetriebe – Milchviehbetriebe für 400 Milchkühe oder kleine Schweinebetriebe für 4000 Schweine – gebaut. Das Werk produzierte 10 Ausrüstungssätze, aber nach dem Zusammenbruch der UdSSR wurde die Finanzierung eingestellt. Von den 10 produzierten Einheiten wurden drei in der Ukraine und Weißrussland vertrieben, fünf nach Zentralasien (zwei davon nach Kirgisistan) und zwei nach Russland. Aber nur eine davon wurde umgesetzt – auf einer Rinderfarm im Bezirk Kamenez in der Region Brest in Weißrussland. Die Anlage verarbeitet 1 m50. Gülle und produziert 3...400 m500 Biogas pro Tag.
Eine der Anlagen, die nach Kirgisistan kamen, wurde 4000 von der PF „Fluid“ des „Farmer“-Verbandes umgebaut und auf der Grundlage der BEKPR LLC-Schweinefarm für 2003 Tiere im Dorf Lebedinovka in der Region Chui installiert, die andere wird als Wassersammler in einem privaten Bauernhof in der Region Osch verwendet. Autoren: Vedenev A.G., Vedeneva T.A.
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