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無線電子工学および電気工学の百科事典 生体エネルギー学。 現状と展望。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
1973 年のエネルギー危機や 1986 年のチェルノブイリ事故などのショックにより、ほとんどの国は再生可能エネルギー源 (RES) の利用のペースと見通しに関するエネルギー政策の再考を余儀なくされました。 近隣諸国がチェルノブイリ原子力発電所のXNUMX号機と同様の信頼性を持つ原子力施設の建設と運転を続ける中、自国だけでクリーンエネルギーを開発するだけでは十分ではないことが明らかになった。 非伝統的エネルギーの開発分野では、さまざまな国の科学者の努力を組み合わせることが必要です。 従来型エネルギーの開発における否定的な傾向は、主に天然資源の急速な枯渇と環境汚染という 2082 つの要因の存在によるものです。 国連によると、石炭埋蔵量は 2500 年から XNUMX 年に枯渇すると予想されています。 有望な従来のエネルギー技術はエネルギー利用の効率を高めますが、環境状況は改善しません。環境の熱、化学、放射性汚染は壊滅的な結果をもたらす可能性があります。 この点において、一方では伝統的なエネルギー資源の合理的な利用の機会を特定する必要があり、他方では非伝統的および再生可能エネルギー源の利用に関する科学的および技術的研究の開発を行う必要がある。 地球上のすべてのエネルギー資源は、最終的には太陽の活動の産物です。 ほとんどすべての非伝統的エネルギーは、直接的および間接的な方法による太陽エネルギーの変換と使用です。 太陽エネルギーを直接利用する方法は、太陽放射を電気エネルギーまたは熱エネルギーに変換することに基づいています。 間接的な方法は、太陽放射と地圏の相互作用の結果として生じる運動エネルギーと位置エネルギーの使用に基づいています。 最大のエネルギー潜在力は、風力エネルギー、川のエネルギー、海の潮と波、バイオマスエネルギーによって特徴付けられます。 多くの外国では、非伝統的資源からのエネルギー開発のための国家プログラムが採用されており、政府機関や民間企業の主導で作業が実施されており、低利融資も提供されています。 1992 年の欧州連合諸国における再生可能資源を使用したエネルギー生産を表 1 に示します。 ウクライナにおける伝統的エネルギー開発におけるマイナス要因は特に深刻であり、エネルギー複合体の開発における不均衡によってさらに悪化するため、再生可能エネルギー源の利用が特に重要である。 このエネルギー分野の開発の必要性と可能性は、次の理由によるものです。
表 1. 1992 年の RES を使用したエネルギー生産EEC諸国では
ウクライナの再生可能エネルギー資源は重要であり、その効率的な利用はエネルギー部門で非常に重要なシェアを占める可能性があります。 したがって、再生可能資源からの妥当な量のエネルギーを使用し、石油製品をそれらで代替する可能性を考慮すると、この国で年間消費される石油製品の総量（年間基準燃料 300 億トン）に対するこのエネルギーの割合は、バイオガスの場合 0,2% になります。 稼働中の発電所の位置と性能特性を表 2 に示します。 表 2. ウクライナの基本設備
バイオマスは効率的な再生可能エネルギー源です。 さまざまな形のバイオマス資源はほぼすべての地域で入手可能であり、ほぼすべての地域でエネルギーや燃料への加工を手配できます。 現在のレベルでは、バイオマスは先進国の総エネルギー需要の 6 ～ 10% をカバーできます。 光合成の助けを借りて地球上では毎年約 120 億トンの乾燥有機物が形成されており、これは 400 億トン以上の石油に相当するエネルギーです。 バイオマスの利用は、直接燃焼、ガス化、自動車燃料用のエチルアルコールの生産、農業廃棄物や家庭廃棄物からのバイオガス生産などの分野で行われています。 バイオマスは主に木質燃料の形で、約 2 億人にとっての主要なエネルギー源です。 「第三世界」の田舎に住むほとんどの人々にとって、それは利用可能な唯一のエネルギー源です。 バイオマスはエネルギー源として先進国でも重要な役割を果たしています。 一般に、バイオマスは世界の燃料の 4 分の XNUMX を占めており、エネルギー受入量では天然ガスと並んで第 XNUMX 位にランクされています。 バイオマスは原子力発電の XNUMX 倍のエネルギーを生成します。 欧州連合諸国では、1992 年のバイオマス エネルギーの割合は再生可能エネルギー総生産量の約 55% でした。 バイオマス エネルギーは、ポルトガル、フランス、ドイツ、デンマーク、イタリア、スペインで最も効率的に使用されています。 T986では、EU委員会はバイオマスと廃棄物の利用のための153のプロジェクトに資金を提供することを決定した。 調達額は70,6万ECUに達した。 EU総局は、非核エネルギー源の分野で新たな4年間の研究プログラムを開始した。 バイオマス利用の研究には2年間で12万ドルが割り当てられる。 アメリカ合衆国。 2000 年のヨーロッパのバイオマス資源は、木材燃料 - 75、木材廃棄物 - 70、農業廃棄物 - 250、都市廃棄物 - 75 万トンでした。 さらに、エネルギープランテーションで栽培されたバイオマスは年間 250 億 XNUMX 万トンを供給します。 自動車が環境に及ぼす悪影響を大幅に削減する必要性に関連して、この分野でのバイオマスの利用が注目を集めました。 ここでは、環境に有害なガソリンを環境に優しい燃料に置き換えるための多くの方向性が概説されています。 ブラジルは、ガソリンの最大 22% (体積比) を代替する代替燃料としてエタノールを使用するプログラムを開発しました。 エタノールは特別に栽培されたサトウキビの加工から得られます。 提供されるガソリンの 7% 以上には 10% のエタノール添加剤が含まれており、この国の車両の 80% がこの添加剤を使用しています。 米国には、ガソリン燃料を余剰のトウモロコシやその他の穀物を加工して作られるエタノールに置き換える大規模な計画もある。 燃料としてのアルコールの使用は、一部のヨーロッパ諸国、特にフランスとスウェーデンで支持されています。 ウクライナでは、ガソリンをアルコールに置き換える問題はまだ検討されていない。 菜種油を得てディーゼルエンジンの燃料として使用するために、放射性元素で汚染された地域で菜種を栽培する可能性が研究されている。 このアイデアは現在、ウクライナとドイツの専門家によって開発されています。 非伝統的エネルギーでは、メタン発酵によるバイオマス（農業有機廃棄物および家庭廃棄物）の処理が特別な位置を占め、約 70% のメタンを含むバイオガスと殺菌された有機肥料が生成されます。 農業におけるバイオマスの利用は非常に重要であり、さまざまな技術的ニーズのために大量の燃料が消費され、高品質の肥料の必要性が常に高まっています。 現在、世界で合計約 60 種類のバイオガス技術が使用または開発されています。 バイオガスはメタンと二酸化炭素の混合物で、特別な反応器である消化槽で形成され、メタンの放出を最大限に確保するように設計および制御されます。 バイオガスを燃焼させることで得られるエネルギーは、原料が持つエネルギーの60～90％に達します。 ただし、バイオガスは 95% の水を含む液体塊から得られるため、実際には収量を決定するのは困難です。 バイオマス処理プロセスのもう XNUMX つの非常に重要な利点は、廃棄物に含まれる病原体が原料よりも大幅に少ないことです。 バイオガスの生成は経済的に正当化されており、一定の流れの廃棄物 (畜産場、屠殺場、野菜廃棄物などからの廃液) を処理する場合に好ましいです。 費用対効果の高さは、事前の廃棄物の収集、整理、供給の管理が必要ないという事実にあります。 同時に、廃棄物がいつどのくらいの量で受け入れられるかがわかります。 さまざまな規模の設備で可能なバイオガスの生成は、完全な生態学的サイクルの可能性がある農産業複合体で特に効果的です。 バイオガスは、照明、暖房、調理、駆動機構、輸送、発電機などに使用されます。 嫌気性消化では、有機物は酸素の不在下で分解されます。 このプロセスには 1 つの段階が含まれます (図 XNUMX)。 第 XNUMX 段階では、複雑な有機ポリマー (繊維、タンパク質、脂肪など) が、さまざまな種類の嫌気性細菌の自然群集の影響を受けて、より単純な化合物 (揮発性脂肪酸、低級アルコール、水素と一酸化炭素、酢酸とギ酸、メチルアルコール) に分解されます。 第 XNUMX 段階では、メタン生成細菌が有機酸をメタン、二酸化炭素、水に変換します。
図1 有機物消化のスキーム 一次嫌気性菌は、細胞破壊菌、炭素発酵（酪酸菌など）、アンモニア化（タンパク質、ペプチド、アミノ酸を分解する）菌、脂肪分解菌など、さまざまな生理学的細菌群によって代表されます。この組成により、一次嫌気性菌は植物および動物由来のさまざまな有機化合物を使用できます。これは、メタン群集の最も重要な特徴の XNUMX つです。 これらの細菌グループ間の密接な関係により、十分なプロセス安定性が得られます。 メタン発酵は、中温（中温）および高温（好熱）で進行します。 最高の生産性は好熱性メタン発酵で達成されます。 メタンコンソーシアムの特殊性により、発酵プロセスを連続的に行うことが可能になります。 嫌気性消化プロセスの通常の過程では、反応器内の最適な条件が必要です。温度、嫌気性条件、栄養素の十分な濃度、許容可能な pH 範囲、有毒物質の非存在または低濃度です。 温度は有機物の嫌気性消化に大きく影響します。 最良の発酵は、30〜40℃の温度（中温菌叢の発達）および50〜60℃の温度（高温菌叢の発達）で起こります。 中温性または好熱性の動作モードの選択は、気候条件の分析に基づいて行われます。 好熱温度を提供するために多大なエネルギーコストが必要な場合は、中温温度での反応器の操作がより効率的になります。 メタン発酵のプロセスと生成されるバイオガスの量は、温度条件に加えて、廃棄物処理の時間にも影響されます。 反応器を運転する場合、pH値を制御する必要があり、その最適値は6,7〜7,6の範囲にあります。 このインジケーターの調整は、石灰を添加することによって行われます。 反応器の通常運転中、生成するバイオガスには 60 ～ 70% のメタン、30 ～ 40% の二酸化炭素、少量の硫化水素、および水素、アンモニア、窒素酸化物の不純物が含まれます。 最も効率的なリアクターは、43 ～ 52 °C で好熱モードで動作します。 ３日間の肥料処理期間では、そのようなプラントにおけるバイオガスの収量は、反応器の有効容積１リットル当たり４．５リットルである。 嫌気性肥料の消化とバイオガスの放出のプロセスを強化するために、有機触媒が初期塊に添加され、発酵塊中の炭素と窒素の比率が変化します（最適な比率 C/N = 3/4,5 ～ 20/1）。 このような触媒としてグルコースとセルロースが使用されます。 乾燥重量によるさまざまな廃棄物中のおおよその窒素含有量と炭素含有量と窒素含有量の比率を表 30 に示します。 表3 各種廃棄物の窒素含有量とC/N比
発酵中に生成されるバイオガスの発熱量は 5340 ～ 6230 kcal/m3 (6,21+7,24 kWh/m3) です。 層の上部での浮遊物質の形成を防ぐために、発酵チャンバー内で激しく混合する必要があります。 これにより、発酵プロセスとバイオガス収量が大幅にスピードアップします。 撹拌せずに同じ生産性を得るには、反応器の容積を大幅に増加する必要があります。 したがって、結果としてコストが高くなり、設置コストも増加します。 混合が行われます：
バイオガス生産プロセスから生じる残留物には大量の栄養素が含まれており、肥料として使用できます。 動物排泄物の嫌気性処理から得られる残留物の組成は、反応器に投入される原料の化学組成によって異なります。 嫌気性消化に適した条件下では、通常、約70％の有機物が分解され、30％が残渣に含まれます。 嫌気性消化の主な利点は、原料に含まれる窒素のほとんどすべてが有機またはアンモニウムの形で保持されることです。 嫌気性消化法は、残留物の除染と病原性微生物の除去が最も効果的であるため、衛生と環境保護の観点から動物排泄物の処理に最も適しています。 嫌気性処理後の肥料の液相は、通常、環境当局による廃水品質の要件を満たしています。 使用済みの液体有機塊は、荷降ろしチャンバーを通って発酵塊タンクに入り、そこからタンクにポンプで送られ、通常の肥料塊が畑に施用されます。 最適な嫌気性処理条件下でさまざまな農業廃棄物、残留物、混合物から分離できるバイオガスの量は、基質の量、処理条件、反応器内の細菌組成などによって異なります。一部のデータを表 4 に示します。 表 4. 農業廃棄物のメタン消化時のメタン (バイオガス) の排出量
生産性を高めるために、さまざまな廃棄物が混合されます（表5）。 表 5. 異なる廃棄物を混合した場合のバイオガス生成量の増加
住宅の暖房に必要なバイオガスの年間必要量は居住空間 45 平方メートルあたり約 2 平方メートル、牛 1 頭分の水を加熱するための 2 日の消費量は 100 ～ 5 平方メートルと推定されています。 水分含有量6％の干し草（2トン）を乾燥する場合のバイオガスの消費量は1平方メートル、穀物40トン-100平方メートルで、2kWを取得します。 電気時間 - 1 + 15 m2。 ウクライナでは、乾物換算で年間3万トンを超える有機廃棄物を排出しているのは大規模な養豚・養鶏企業だけであり、その処理により約1万トンの有機廃棄物を得ることが可能となる。 バイオガスの形でトン、これは 8 億 kW に相当します。 h 電気。 さらに、ウクライナにはガス化されていない家族経営の農場が約 2 万戸あります。 天然ガスが供給されていない国（中国など）の経験によれば、家族経営の農場から出る有機廃棄物を操作する小規模なバイオ施設の助けを借りて、遠隔の農村地域をガス化することが賢明であることが示されています。 したがって、ウクライナに 2 万基の設備を導入すると、年間約 2 億 m2 のバイオガスを得ることが可能になります。 これは13億kWhに相当します。 h のエネルギーであり、年間 10 万トンの量の有機肥料を家族の土地に提供することになります。 1990 年のデータによると、ウクライナの集団農場、国営農場、その他の農場の年間平均頭数は約 20 万頭でした。 牛ではこの数字は25万頭を超え、羊とヤギではそれぞれ約9万頭、鳥では約85万頭となった。 そのような家畜からの年間の肥料と糞の量：豚から-45万トン、牛から-290億6万トン以上、羊とヤギ-4万トン、家禽-ほぼXNUMX万トン。 バイオガスプラントを作成した経験から、その設計と技術的特徴はさまざまな要因、そしてまず第一に、原材料、その特性、および事前の処理によって決定されることがわかります。 世界の多くの国で、肥料をバイオガスに処理するための小規模農場と大規模な工業プラントが建設され、テストされ、正常に運用されています。 ドイツには、動物の排泄物からバイオガスを生産するための新しいバイオガスプラントが 60 か所あります。 乾燥残渣含有量が 5 ～ 15% の廃棄物の発酵により、発熱量 5,6 ～ 6,7 kWh/m2 のバイオガスが得られます。 バイオガス密度 - 1,22 g/m2。 空気中の爆発濃度は 19 ～ 25% です。 自分自身の必要のためのエネルギー消費は、生産されたバイオガスの 20 ～ 30% です。 投資回収期間は 4,2 年です。 キャタピラーは、埋め立て地での廃棄物の分解から生成されるバイオガスを利用できる火花点火エンジンを搭載した独立型ES（パワーシステム）を製造しています。 ノルウェーでは、容量 360 kW のこのような発電所 36 基のうちの最初の発電所が設置されました。 ES は完全に自動化されており、スイッチング装置は ES の動作をローカル電力網と同期させることができます。 ガスは14年前の廃棄物層まで貫通する深さ300メートルの3本の井戸から供給される。 これにより、48 m57/時のバイオガス流量が得られます。 バイオガス中のメタン含有量は 1000 ～ 360% です。 イングランド南東部では、650 つのバイオガス発電所がガス処理プラントの合計 XNUMX kW の容量を提供していますが、このうち XNUMX kW のみがプラントのニーズに使用され、残りの XNUMX kW は全国送電網に供給されています。 ブルーサークル（英国）は、イングランド南部の7,5つの埋立地からのバイオガスを使用して3MWの電力を生成することを計画している。 西ヨーロッパ諸国では、フロー型バイオガスプラントの連続生産が開始されています。 そのようなプラントの 10 つは、100 万羽の産卵鶏からの鳥の糞を処理し、3 日平均 60 立方メートルのバイオガス (1,9% メタン) を生産し、発酵スラグを有機肥料として使用すると XNUMX 年で回収が可能です。 スイスでは、100 日あたり平均 3 立方メートルの処理能力を持つバイオガス プラントが、30 立方メートルの埋設排水溜めに供給された 80 頭の牛の糞尿を処理しています。 ポリマーフィルムで覆われた容量 3 m540 の円筒形タンクは、肥料発酵とバイオガスの貯蔵に使用されます。 バイオガスは給湯プラントでの発電に使用されます。 バイオガスプラントもそこで稼働しており、そのすべてのユニットは養豚場の直下に位置しています。 バイオガスはタンクに貯蔵され、暖房システムに使用されます。 夏に家畜を放牧するバイオガスプラントの生産性は、冬に比べて1倍低くなります。 同時に、バイオガスの約 3 分の 0,7 は独自の技術的ニーズに使用され、残りは水の加熱と農場の暖房に使用されます。 XNUMX mXNUMX のバイオガスは XNUMX リットルの燃料油に相当します。 バイオガスは高い耐ノック特性を備えており、追加の再装備を必要とせずに（必要なのは電源システムの調整のみ）、強制点火を備えた内燃エンジンやディーゼル エンジンの優れた燃料として機能します。 比較テストの結果、ディーゼル燃料の比消費量は定格出力あたり 220 g/kWh、バイオガスの比消費量は 0,4 m3/kWh であることがわかりました。 これには、約 300 g/kWh (m. b. - 300 g) の始動燃料 (バイオガスの「燃料」として使用されるディーゼル燃料) が必要です。 その結果、ディーゼル燃料の節約は 86% に達しました。 エンジン負荷 40%、クランクシャフト速度 1400 rpm (スイスの平均トラクター負荷) の場合、ディーゼル燃料消費量は 250 g/kWh、バイオガス使用時は 80 g/kWh、さらにバイオガス消費量は 9,6 m3/kWh で、これはディーゼル燃料のほぼ 70% の節約に相当します。 ヴィパッハデルハウゼン (ドイツ) では、スラリーの発酵と牛、豚、鶏の糞尿の処理用に設計された万能タイプのバイオガス プラントが稼働しました。 バイオガス反応器は、連続モードとバッチモードの両方で、温度 35°C、圧力 2,0 ～ 5,0 kPa で動作します。 ウクライナのザポリージャKTISMでは、肥料の嫌気性消化のための「Cobos」タイプの装置一式が開発された。 250 m3の容積のこのような施設が村で稼働しています。 グレビンキ・キエフ地方。 肥料容量10㎥/日のユニットは、ザポリージャ地域のラスベット国営農場でテストされた。UkrNIIAgroproektにはパイロットプラントがある。キエフ養鶏場では3㎥の定期運転、チェルカッシー地方のロシヤ国営農場では20㎥の量である。 スミイMNPOの子会社農場にあります。 3頭の豚を収容できるフルンゼには、200立方メートルの廃水を処理するプラントがあります。 いくつかのバイオガスプラントの技術的、経済的、および運用上の特徴を表 7 に示します。 バイオガスと高品質の肥料を得るためにウクライナでバイオエネルギーを開発するには、この分野での科学的および技術的研究、適切な機器の生産と導入を刺激する経済メカニズムを構築する必要があります。 表 7. バイオガスプラントの技術的、経済的および運営指標
さて、私たちはすでに、田舎の農場から出る最も一般的な有機廃棄物（動物の糞尿、庭先、雑草、その他の「有機物」）が、特定の条件下では家庭内で切望されている可燃性ガスの供給源となり、調理、部屋の暖房、お湯の確保に適していることを知っています。 それをバイオガスと呼びましょう。 バイオガスは、完全ではないにしても、少なくとも部分的には、田舎の住民、夏の別荘や庭の区画の所有者による燃料のニーズを満たすことができます。 さらに、バイオガスの生産では廃棄物が完全に使用され、その結果、領土の衛生状態が改善され、感染症の病原体が破壊され、腐った植物の不快なホールが消え、雑草の種子が死ぬだけでなく、腐植の可能性が高まった最も価値のある高品質の有機肥料も形成されます。 しかし、誰もが自分の手で裏庭に最も単純なバイオガスプラントを建設できるようにするには、有機廃棄物からバイオガスを生成する技術の主な特徴、バイオガスプラントの性能に影響を与える要因、およびこれらのプラントの設計についてのアイデアを持っておくことが役立ちます。 著者：Shomin A.A.
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