Развивающее занятие «Энергосбережение. Биогаз.»

Андрей Парачук, методист государственного учреждения образования «Гомельский городской центр дополнительного образования детей и молодёжи»

Тема: «Энергосбережение. Биогаз.»

11 класс

Тип урока – комбинированный;

Форма урока  – школьная лекция;

Оборудование – учебник, атлас;

Цели: обучающая – изучить альтернативные источники энергии, положительный эффект от использования альтернативных источников, определить условия альтернативной энергетики.

             развивающая – развитие познавательных и умственных способностей, речевых навыков, логики, изложения учебного материала, мышления.

    воспитательная–создать условия для экологического воспитания учащихся, нравственных, эстетических и экологических убеждений. Воспитание интереса по учебному предмету.

Ход урока

I Организационный момент.

На перемене записываю на доске тему «Биогаз».

Звенит звонок.

Я: «Здравствуйте ребята, садитесь.

II Проверка знаний и умений.

Все ученики получают индивидуальные задания.

III Изучение нового материала

Тема урока: Биогаз.

План урока:

1.   Введение и принципы

2.   Технология получения биогаза

3.   Применение и потенциал

4.   Потенциал в Республике Беларусь

Деятельность учителя:

 «Перед тем как приступить к теме нового урока, давайте вспомним, какие есть природные ресурсы?

Деятельность учащегося:

«Исчерпаемые и неисчерпаемые».

Деятельность учителя:

Тогда, перечислите неисчерпаемые природные ресурсы.

Деятельность учащегося:

Неисчерпаемые – солнечная энергия, энергия приливов, ветра, геотермальная энергия, энергия земных недр.

Какими бывают исчерпаемые природные ресурсы?

Деятельность учащегося:

«Возобновимые и невозобновимые».

Деятельность учителя:

Что относиться к возобновимым и невозобновимым природным ресурсам?

Деятельность учащегося:

Невозобновимые – полезные ископаемые, возобновимые – воздух, пресная вода, флора и фауна.

Деятельность учителя:

Назовите альтернативные источники энергии.

Деятельность учащегося:

Гидроэнергия, приливная, геотермальная, энергия биомассы.

Деятельность учителя:

Верно. Приступаем к изучению нового материала. Откройте тетради и запишите тему сегодняшнего урока», – указывая на доску.

1.   Введение и принципы

Биогаз является одним из видов биотоплива, которое получают из биомассы. Поскольку биогаз производится из биомассы, он относится к одному из видов возобновляемых источников энергии.

Биогаз получают из биологического материала живых организмов (органического вещества), и он формируется в процессе биологического распада этого органического вещества при отсутствии кислорода. Биогаз можно получать из городских органических отходов, лесосечных отходов, растительного материала, навоза и других источников. Биогаз состоит в основном из метана и диоксида углерода и может содержать небольшое количество сероводорода.

Существуют три основных источника биогаза: продукты очистки сточных вод, органические отходы и отходы животноводческих ферм. Наибольшая доля биогаза поступает от животноводческих ферм.

Известно использование биогаза и в древние времена: для нагрева воды в ваннах Ассирии (10 век до н.э.) и Персии (16 век н.э.). Современное использование биогаза (установки по растительному сбраживанию) началось в 17-м — 18-м веках. Первый реактор осадков сточных вод был построен в Англии в начале 20-го века.

2.   Технология получения биогаза

Анаэробное сбраживание является биохимическим процессом сбраживания биомассы в бескислородной среде под влиянием определенных видов бактерий . Несколько различных видов бактерий действуют одновременно, чтобы расчленить сложные органические отходы поэтапно, что в конечном итоге завершается получением биогаза.

Для контролируемого анаэробного сбраживания необходима герметичная камера, называемая реактором. Для обеспечения жизнедеятельности бактерий, в реакторе должна поддерживаться температура не менее 20°C. При повышении температуры, вплоть до 65°C, сокращается время обработки и на 25 — 40% уменьшается необходимый объем бака. Существует несколько видов анаэробных бактерий, способных «действовать» и при более высокой температуре.

Существует два основных способа анаэробного сбраживания: мокрый способ АС и сухой способ АС. Основное различие между двумя способами связано с формой перерабатываемых отходов. Сухое АС связано со сбраживанием органических отходов, в неизменном виде, лишь с простой механической сортировкой после которой отходы остаются в той же твердой форме. Морое АС требует, чтобы отходы превратились в однородную жидкую массу, которая может перекачиваться в процессе обработки. Сухое АС, как правило, дешевле в эксплуатации, так как меньше воды нагревается и больше газа производится на единицу сырья. Тем не менее, предварительные расходы на мокрое АС ниже.

Биогаз, полученный в реакторе (также известный как «газ реактора»), на самом деле является смесью метана и диоксида углерода, составляющих более 90 процентов общего объема. Биогаз обычно содержит небольшое количество сероводорода, азота, водорода, метилмеркаптана и кислорода. Метан является горючим газом. Теплотворная способность газа реактора зависит от количества метана, который в нем содержится. Содержание метана колеблется от 55 до 80%. Типичный газ реактора с концентрацией метана 65%, содержит около 22 МДж энергии на кубический метр.

В фермерских хозяйствах небольшие реакторы простой конструкции могут производить биогаз, для производства электроэнергии местного потребления и выработки тепла. Например, биогазовая установка может переработать 30 кубических метров навоза в день, количество, производимое стадом из 500 дойных коров. Газ реактора можно использовать как топливо двигателя-генератора электроэнергии. При этом реактор такого типа позволяет вырабатывать больше электричества и получать горячей воды, чем необходимо для этого стада.

Состав получаемого биогаза
Полученный биогаз представляет собой смесь, которая главным образом состоит из следующих компонентов:

·                     50–75 % метана;

·                     25–45 % диоксида углерода;

·                     небольшое содержание воды (2–7 %);

·                     газы, содержащиеся в малых количествах, например, сероводород, кислород, азот, аммиак и водород.

Наряду с биогазом в качестве отходов при брожении образуется смесь воды, минеральных компонентов и неразложившейся органической субстанции. Этот биошлам может применяться в сельском хозяйстве как высококачественное удобрение для замыкания круговорота питательных веществ при выращивании энергетических растений.

Таблица 1 - Сырье и выход метана.

Органические отходы	Выход СН4, м3/кг сухого вещества	Содержание СН4 (%)
Помёт индеек	0,640	62,0
Молочные отходы	0,625	82,0
Свиной навоз	0,580	77,5
Помёт кур	0,370	54,0
Навоз быков+меласа	0,300	48,0
Навоз быков	0,290	56,2
Силосные отходы	0,250	84,0
Навоз быков+солома	0,220	52,0
Навоз коров	0,208	55,0

3.   Применение и потенциал

Применение

Биогаз может использоваться для производства электроэнергии в канализационных системах, в газовом двигателе ТЭЦ, где сбросное тепло от двигателя удобно использовать для нагрева реактора биогаза; приготовления пищи; обогрева помещений; нагрева воды и технологических процессов. Он может также заменить сжатый природный газ для использования в транспортных средствах, как топливо для двигателя внутреннего сгорания или для топливных элементов. Метан биогаза может быть сконцентрирован и доведен до стандартов качества ископаемого природного газа. После процесса очистки он становится биометаном.

Наблюдается значительный рост производства биогаза. В 2010 году в Европе в эксплуатации находилось 5900 установок (2300 МВт), причем к концу 2018 года планируется построить около 12400 установок (5800 МВт). В Европе потенциальные поставки первичной энергии с биогазом составляют около 1 ТВтч (3600 ТДж) в расчете на 1 млн. человек.

Наиболее значительными возобновляемыми источниками энергии в Беларуси является древесина и другие источники биомассы (технический потенциал около 1000 МВт).

Имеющиеся ресурсы биомассы на нашей планете могут дать нам представление о глобальных возможностях производства биогаза. Этот потенциал оценивается разными экспертами и учеными на основе различных сценариев и предположений. Однако, общий результат оценок сводится к тому, что лишь очень небольшая часть потенциальной энергии биогаза в настоящее время используются и фактическое производство биогаза может быть значительно увеличено.

Потенциал в ЕС

Европейская ассоциация биомассы (ЕАБ) считает, что в Европе производство энергии, полученной из биомассы, может быть увеличено с 72 млн. тонн н.э. в 2004 году до 220 млн. тонн н.э. в 2020 году. Наибольшим потенциалом располагает биомасса сельскохозяйственного сектора, где биогаз является важным элементом. По оценкам ЕАБ, в Европейском Союзе от 20 вплоть до 40 миллионов гектаров (млн. га) земли могут быть использованы для производства энергии без ущерба для пищевых ресурсов Европы.

Реальный потенциал производства метана, полученного из экскрементов животных; культур, выращиваемых для производства энергии; отходов, составляет около 40 млн. тонн в 2020 году, по сравнению с фактической выработкой в 5,9 млн. тонн в 2007 году. Товарные культуры (предназначенных для продажи) не принимались в расчет при определении потенциала производства биогаза и представляют дополнительные возможности. В 2020 году биогаз сможет покрыть более чем треть добычи природного газа в Европе, или около 10% потребления.

Что касается общей возможности использования энергии биомассы в Европе, то биогаз может составить 15 – 25% от общего производства биоэнергии, по сравнению с 7% в 2007 году. Потенциал биомассы для энергетики в целом гораздо больше, чем его использование на данный момент, однако этот потенциал должен расти благодаря деятельности на местном, региональном, национальном и международном уровнях.

4.   Потенциал в Республике Беларусь

Наиболее значительным возобновляемым источником энергии в Беларуси является древесина. Ежегодно заготавливается около 13 млн. м3 древесины, и 6,5 млн. м3 используется в качестве биомассы. В Беларуси большое количество водогрейных котлов мощностью от 60 до 5000 кВт работают на древесном топливе. В 2007 году из биомассы и отходов было произведено, 20 млн. кВтч электроэнергии.

В мае 2009 года Всемирный банк утвердил $ 125-милионный кредит для Беларуси с целью повышения энергоэффективности при выработке тепла и производстве электроэнергии в отдельных городах. Основная цель проекта заключается в преобразовании существующих котельных в ТЭЦ (производящих и тепло, и электроэнергию) в нескольких городах Беларуси. Данное преобразование должно обеспечить около 90 МВт дополнительной электрической мощности (Национальный правовой портал, 2009).

Беларусь очень хорошо подходит для развития энергии биомассы благодаря большой площади, пригодной для лесной отрасли промышленности; равнинной местности, хорошо развитого распределения мощности и инфраструктуры централизованного теплоснабжения, а также технически образованного общества.

Биогаз как энергоноситель может использоваться по-разному, в зависимости от природы источника биогаза и местных потребностей. Как правило, биогаз используется для производства тепла и электроэнергии путем прямого сжигания на котельных и ТЭЦ, для производства электроэнергии топливными элементами или микро-турбинами или в качестве топлива для транспортных средств.

Самым простым способом использования биогаза является прямое сжигание в котлах или горелках, которые широко используются для сжигания биогаза на небольших фермах. Прямое сжигание в обыкновенных газовых горелках широко применяется во многих странах. Для производства тепла биогаз можно сжигать, как на месте производства, так и транспортировать по трубопроводу до других конечных пользователей. В отличие от других видов применения, биогаз не нуждается в переработке и очистке от загрязнений при его сжигании для целей теплоснабжения. Тем не менее, биогаз все равно должен подвергаться конденсации и удалению частиц, компрессии, охлаждению и сушке.

Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ)

ТЭЦ является распространенным потребителем биогаза во многих странах с развитым сектором биогаза, так как это считается очень эффективным способом производства энергии. ТЭЦ, созданные на основе двигателя внутреннего сгорания, имеют КПД до 90% и производят 35% электроэнергии и 65% тепла. Наиболее распространенными видами ТЭЦ являются теплоэлектростанции блочного типа с двигателями внутреннего сгорания, которые соединены с генератором. Генератор, как правило, имеет постоянную скорость вращения 1500 оборотов в минуту для того, чтобы быть совместимым с частотой электрической сети. Электроэнергия, полученная из биогаза, может использоваться для привода электрического оборудования, такого как насосы, системы управления и мешалки. Прежде, чем биогаз поступит на ТЭЦ, его обезвоживают и сушат. Большинство газовых двигателей имеют очень жесткие допуски по содержанию сероводорода, галогенированного углеводорода и силоксанов, находящихся в биогазе.

Важным вопросом для энергетической и экономической эффективности биогазовой установки является использование полученного тепла. Как правило, часть тепла используется для обогрева реакторов (технологическое тепло), оставшаяся часть, примерно 2/3 от всей произведенной энергии, — для внешних потребностей. Тепло может использоваться для промышленных процессов, сельскохозяйственного производства или отопления помещений. Наиболее подходящий потребитель – промышленность, как постоянный потребитель тепловой энергии в течение всего года. Качество тепловой энергии (температура) является важным критерием для промышленных предприятий. Использование тепла, полученного из биогаза, для отопления зданий и домашних хозяйств (мини-теплосети или центральное отопление) является еще одним вариантом, хотя он отличается неравномерным спросом на тепловую энергию: низкий спрос в летний период и высокий – в зимний период. Тепло также может использоваться для сушки сельскохозяйственных культур и древесной щепы или для разделения и дальнейшей обработки продуктов брожения.

Биогазовые микро турбины

В биогазовой микро турбине воздух нагнетается в камеру сгорания под высоким давлением и смешивается с биогазом. Смесь воздуха и биогаза сгорает и приводит к повышению температуры и расширению газовой смеси. Горячие газы проходят через турбину, которая соединена с генератором электроэнергии. Электрическая мощность микро-турбины, как правило, менее 200 кВт. Стоимость биогазовой микро турбины высока.

Топливные элементы

Топливные элементы представляют собой электрохимические устройства, которые преобразуют химическую энергию реакций непосредственно в электрическую энергию. Физическая структура (стандартный блок) топливного элемента состоит из слоя электролита, который находится в контакте с пористым анодом и катодом с обеих сторон. В типовых топливных элементах, газообразное топливо (биогаз) непрерывно подается в анодную камеру (отрицательный электрод) и окислитель (например, кислород из воздуха) непрерывно подается в катодную камеру (положительный электрод). Электрохимическая реакция происходит на электродах, производя электрический ток. В зависимости от типа используемого электролита, существуют различные виды топливных элементов, подходящие для биогаза. Они могут быть с низкой температурой, средней или высокой. Выбор вида топливного элемента зависит от газообразного топлива и того, каким образом используется тепло.

Получение биометана

Биогаз может подаваться в существующую сеть природного газа и использоваться для тех же целей, что и природный газ, или он может быть сжат и использоваться в качестве топлива для транспортных средств. Перед подачей в сеть газоснабжения или перед использованием в качестве моторного топлива биогаз должен пройти процесс переработки, где удаляются все загрязняющие вещества, а также углекислый газ, а содержание метана увеличивается с обычных 50 — 75% до более чем 95%. Переработанный биогаз часто называют биометаном.

Биогаз как моторное топливо

Использование биогаза в транспортном секторе представляет собой технологию с большим потенциалом и важными социально-экономическими выгодами. Биогаз уже используется как моторное топливо в таких странах, как Швеция, Германия и Швейцария. Считается, что переработанный биогаз (биометан) имеет самый высокий потенциал в качестве моторного топлива, даже по сравнению с другими видами биотоплива.

Транспорт биометана через сеть

Переработанный биогаз (биометан) подается в сеть газоснабжения, после того, как он его сжали до давления трубопровода. Есть несколько преимуществ использования сети газоснабжения для распространения биометана. Одним из важных преимуществ является то, что сеть соединяет место получения биометана, которое, как правило, располагается в сельской местности, с более густонаселенными районами. Это дает возможность привлечь новых клиентов.

Ниже приведены схемы поставок для одного поставщика или нескольких поставщиков.

1. Один поставщик (например, ферма, производитель органических отходов) имеет достаточное количество навоза, органических отходов, сельскохозяйственных угодий или все вышеперечисленное, чтобы обеспечить работу биогазовой установки необходимым сырьем.

2. Несколько поставщиков (например, небольшие фермерские хозяйства, производители органических отходов) работают в консорциуме (например, в кооперативном обществе, обществе с ограниченной ответственностью и т.д.), чтобы построить, запустить и поставлять сырье для биогазовой установки.

4 Домашнее задание                                                                

«А теперь откройте ваши дневники и запишите домашнее задание»

Звенит звонок и я прощаюсь с учениками: «До свидания!»