يشير الغاز الحيوي إلى خليط من الغازات المختلفة الناتجة عن انهيار المادة العضوية في غياب الأكسجين. يمكن إنتاج الغاز الحيوي من المواد الخام مثل النفايات الزراعية ، السماد ، النفايات البلدية ، المواد النباتية ، مياه الصرف الصحي ، النفايات الخضراء أو فضلات الطعام. الغاز الحيوي هو مصدر للطاقة المتجددة.
يمكن إنتاج الغاز الحيوي عن طريق الهضم اللاهوائي بالميثانوجين أو الكائنات الحية اللاهوائية ، التي تهضم المواد داخل نظام مغلق ، أو تخمر المواد القابلة للتحلل. يسمى هذا النظام المغلق الهضم اللاهوائي أو بيولوجيستر أو مفاعل بيولوجي.
الغاز الحيوي هو في المقام الأول الميثان (CH4) وثاني أكسيد الكربون (CO2) ويمكن أن يكون له كميات صغيرة من كبريتيد الهيدروجين (H2S) والرطوبة والسيلوكسانات. يمكن حرق غازات الميثان والهيدروجين وأول أكسيد الكربون (CO) أو أكسدته بالأكسجين. يسمح هذا الإصدار من الطاقة باستخدام الغاز الحيوي كوقود ؛ يمكن استخدامه لأي غرض تسخين ، مثل الطهي. ويمكن أيضا استخدامه في محرك الغاز لتحويل الطاقة في الغاز إلى الكهرباء والحرارة.
يمكن ضغط الغاز الحيوي ، بنفس الطريقة التي يتم بها ضغط الغاز الطبيعي إلى الغاز الطبيعي المضغوط ، ويستخدم في تشغيل المركبات الآلية. في المملكة المتحدة ، على سبيل المثال ، يقدر أن الغاز الحيوي لديه القدرة على استبدال حوالي 17 ٪ من وقود المركبات. انها مؤهلة للحصول على إعانات الطاقة المتجددة في بعض أجزاء من العالم. يمكن تنظيف الغاز الحيوي ورفع مستواه إلى معايير الغاز الطبيعي ، عندما يصبح الميثان الحيوي. يعتبر الغاز الحيوي موردًا متجددًا لأن دورة الإنتاج والاستهلاك مستمرة ، ولا يولد أي غاز ثاني أكسيد الكربون. مع نمو المادة العضوية ، يتم تحويلها واستخدامها. ثم يكرر في دورة متكررة باستمرار. من منظور الكربون ، يتم امتصاص ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي في نمو المورد الحيوي الأساسي كما يتم إطلاقه ، عندما يتم تحويل المادة في النهاية إلى طاقة.
تكوين وخصائص الغاز الحيوي
يعتمد التركيب الكيميائي للغاز الحيوي في المقام الأول على عاملين: المواد المستخدمة في عملية الهضم والتقنية المستخدمة في العملية. مع أخذ ذلك في الاعتبار ، يمكن أن يحتوي الغاز الحيوي على ما بين 55-70٪ ميثان و 30-45٪ من ثاني أكسيد الكربون و <5٪ من الغازات الأخرى (التي تعتبر شوائب).
يحتوي الغاز الحيوي على قيمة حرارية تتراوح بين 6 و 6.5 كيلو وات في الساعة / نانومتر 3 ، بينما يعادل الوقود 0.6 إلى 0.65 لتر لكل متر مكعب من الغاز الحيوي. درجة حرارة الاشتعال من 650 إلى 750 درجة مئوية. الضغط الحرج من 74 إلى 88 جو. درجة الحرارة الحرجة -82.5 درجة مئوية. كثافة 1.2 كجم / م 3. كتلة مولار من 16،043 غ / مول.
قيمة الطاقة
يعتمد ذلك على تركيبة الغاز الناتجة عن التخمر: كلما ازداد احتواء الميثان ، ازداد نشاطه. على سبيل المثال ، تنتج مادة تخمينية غنية بـ C و H غازًا حيوياً يحتوي على ما يصل إلى 90٪ من الميثان ، في حين ينتج السليلوز والأفقر في C و H غازًا حيوياً فقط بنسبة 55٪ من الميثان (و 45٪ من ثاني أكسيد الكربون)
نجاعة
تظهر دراسات IFEU أنه في ألمانيا ، استخدام الغاز الحيوي للتوليد المشترك المحلي مع محرك الغاز أكثر كفاءة فيما يتعلق بتأثير الاحتباس الحراري ، الحقن في الشبكات والصيانة اللازمة. ومع ذلك ، تقدر هذه الدراسة الطاقة الموردة إلى ما يعادل 5000 لتر من زيت الوقود للهكتار الواحد في السنة. إن استبدال الوقود الأحفوري والطاقة النووية باستخدام الغاز الحيوي يتطلب تقريبا كل سطح ألمانيا.
تبلغ كفاءة التشغيل للحرارة والطاقة المشتركة 70٪ على الأكثر ، أو 30٪ من الخسائر.
غالباً ما يكون استخدام الحرارة موسميًا ويتطلب القرب من المستخدمين وإنشاء شبكة توزيع. من الممكن أيضًا توفير البرودة من خلال عمليات امتصاص الحرارة. ومع ذلك ، يقتصر هذا الاستخدام على مناطق معينة في فرنسا.
يُسمح بالحقن وقد يكون كفاءة التشغيل 90٪. كما أن استهلاك الغاز هو موسمي ، ولكن بشكل عام يكون الحق محتملاً على الشبكات طوال العام ، ما عدا في بعض الحالات ، بضعة أيام أو أسابيع في الصيف ، حيث يكون الاستهلاك أقل وبالتالي تشبع الشبكة. عن طريق الحقن ، فإن إنتاج البيوميتان في الصيف يجد مخرجًا لا يوجد دائمًا تسخين للتوليد الحراري.
العديد من المشاريع في فرنسا في الحقن. على سبيل المثال ، بدأت فونتينبلو ، برفقة المدرسة العليا للمناجم ، عملية الهضم اللاهوائي لـ 30000 طن من روث الخيل سنويا تحت اسم المشروع: EQUIMETH.
في جميع أنحاء العالم ، ينتشر استخدام الغاز الحيوي على المستوى المحلي ، خاصة في آسيا
في مالي ، أجريت مشاريع تجريبية في مناطق معزولة لقياس كيف يمكن للغاز الحيوي أن ينتج طاقة للاستخدام المحلي بطريقة مستدامة. أثبتت التجربة أنه مع تدريب الحرفيين المحليين الذين يمكنهم دعم إنتاج المعدات الضرورية (مقياس الغاز ، الهاضم) وتدريب العائلات على صيانة المعدات ، يمكن أن يكون الغاز الحيوي بديلاً عمليًا لاستخدام الحطب في طهي الوجبات وتحسين ظروف المعيشة. من خلال مدخلات الطاقة الأخرى (خاصةً التبريد). وقد انخفض الضغط على الموارد الخشبية واستُخدم منتج compostproduct لإخصاب التربة. يبقى الدعم المالي ضروريًا لتنفيذ النظام (المعدات ، التركيب ، التدريب).
تقوم Arti ، وهي منظمة غير حكومية في الهند ، بتطوير جهاز هضم بسيط (0.5 متر مكعب) للمناطق المدارية التي تستخدم نفايات المطبخ (الغنية بالنشويات والسكريات) لإنتاج الغاز الحيوي. تنتج 1 كجم من النفايات 400 لتر من الغاز الحيوي خلال 6 إلى 8 ساعات ، وهو ما يكفي لحوالي 15 إلى 20 دقيقة من الطهي.
إنتاج
والغاز الحيوي عبارة عن طاقة متجددة يمكن استخدامها للتدفئة والكهرباء والعديد من العمليات الأخرى التي تستخدم محرك احتراق داخليًا متجاوبًا ، مثل محركات GE Jenbacher أو Caterpillar. لتزويد محركات الاحتراق الداخلي هذه بالغاز الحيوي ذي الضغط الغازي الوافر من أجل تحسين الاحتراق ، ضمن وحدات الاتحاد الأوروبي ATEX ، فإن وحدات الطرد المركزي التي تم إنشاؤها وفقًا للتوجيه الأوروبي 2014/34 / EU (94/9 / EG سابقًا) إلزامية. وحدات المروحة هذه ، على سبيل المثال Combimac ، Meidinger AG أو Witt & Sohn AG مناسبة للاستخدام في المنطقة 1 و 2.
تعتبر محركات الاحتراق الداخلي الأخرى مثل توربينات الغاز مناسبة لتحويل الغاز الحيوي إلى كل من الكهرباء والحرارة. الهضم هو المادة غير العضوية المتبقية التي لم يتم تحويلها إلى غاز حيوي. يمكن استخدامه كسماد زراعي.
يتم إنتاج الغاز الحيوي سواء.
مثل غاز المدفن (LFG) ، الذي ينتج عن انهيار النفايات القابلة للتحلل الحيوي داخل مدفن النفايات بسبب التفاعلات الكيميائية والميكروبات ، أو
كما هضم الغاز ، أنتجت داخل الهضم اللاهوائي.
تقوم مشروعات مثل NANOCLEAN في الوقت الحاضر بتطوير طرق جديدة لإنتاج الغاز الحيوي بكفاءة أكبر ، باستخدام جسيمات أكسيد الحديد النانوية في عمليات معالجة النفايات العضوية. هذه العملية يمكن أن تضاعف ثلاث مرات إنتاج الغاز الحيوي.
عملية التخليق الحيوي
هناك ثلاثة نطاقات لإنتاج الغاز الحيوي ، حسب درجة الحرارة.
15-25 درجة مئوية: psychrophilic
25-45 درجة مئوية: mesophilic
45-65 درجة مئوية: درجة الحرارة
هذه هي الهضمات mesophilic الأكثر استخدامًا (حوالي 38 درجة مئوية) في المناطق المعتدلة.
إن استرجاع الغاز الحيوي في مدافن النفايات أمر مثير للاهتمام على نحو مضاعف لأن غاز الميثان المنبعث في الغلاف الجوي هو غاز دفيئة أقوى بكثير من غاز ثاني أكسيد الكربون الناتج عن احتراقه.
مصادر الغاز الحيوي
الغاز الحيوي الناتجة عن الهضم اللاهوائي أو الهضم اللاهوائية تخمر النفايات. تأتي المصادر الأكثر شيوعًا للغاز الحيوي من المخزونات الطوعية أو غير الطوعية للمواد العضوية:
الثقافات؛
مدافن النفايات: محتواها من الغاز الحيوي أعلى أو أقل تبعاً لضيق وضع التشغيل. إن المجموعة الانتقائية للنفايات القابلة للتلف تسمح بمرور الميثان أسرع من التفريغ باستخدام مفاعلات حيوية معينة (أجهزة هضم)
حمأة محطة معالجة مياه الصرف الصحي: الهضم اللاهوائي يزيل المركبات العضوية ويسمح للنبات بأن يكون أكثر أو أقل الاكتفاء الذاتي في الطاقة ؛
نفايات المواشي: تضع اللوائح معدات تخزين النفايات السائلة (السماد العضوي ، السماد) إلزامية لمدة تزيد عن 6 أشهر. يمكن استخدام وقت التخزين هذا لتغير المخلفات السائلة. هذه هي سماد الحيوانات ولكن أيضا النفايات الزراعية الأخرى: مخلفات المحاصيل والسيلاج ، والنفايات السائلة من منتجات الألبان ، والسحب من الأسواق ، والعشب ، إلخ.
يمكن أيضا أن تكون النفايات السائلة من الصناعات الغذائية الزراعية ميثان. الهدف الرئيسي هو تجنب رفض المواد العضوية الغنية جدًا ، ويمكن أن يصاحبها استرداد للطاقة ؛
قاع البحيرات والمستنقعات: ينتج الغاز الحيوي بشكل طبيعي عن طريق الرواسب العضوية التي تتراكم هناك. وقد بدأ استخدام الغاز الحيوي في كيفو منذ أكثر من 40 عاما ويجري الآن تطويره على نطاق واسع.
مراحل إنتاج الغاز الحيوي
تنقسم عملية إنتاج الغاز الحيوي عن طريق الهضم اللاهوائي للمواد العضوية إلى أربع مراحل. وقد ثبت ذلك من خلال الدراسات البيوكيميائية والميكروبيولوجية التي أجريت حتى الآن.
المرحلة الأولى: التحلل المائي
لبدء عملية التحلل اللاهوائي من الضروري أن المركبات العضوية يمكنها عبور جدار الخلية وبالتالي الاستفادة من المواد العضوية. تنتج الكائنات الحية الدقيقة الناتجة عن hydrolytic إنزيمات خارج الخلية قادرة على تحويل المادة العضوية البوليمرية إلى مركبات عضوية قابلة للذوبان. هذه المرحلة هي المحدد في السرعة الإجمالية لعملية إنتاج الغاز الحيوي ويمكن أن تتأثر بعوامل مثل: درجة الحرارة ، ودرجة الحموضة ، وحجم الجسيمات ، والتكوين الكيميائي الحيوي للركيزة ، وغيرها.
المرحلة الثانية: Acidogenesis
يحدث تحوّل الجزيئات العضوية القابلة للذوبان في مركبات يمكن استغلالها بواسطة البكتيريا المسببة للميثان (acetic ، formic و hydrogen) ، والبعض الآخر أكثر انخفاضاً (مثل الباليريك ، البروبيونيك ، اللاكتيك وغيرها) وبعض المركبات التي لا يمكن استخدامها من قبل هذه البكتيريا (الإيثانول) والأحماض الدهنية والعطريات). أنها أيضا القضاء على أي أثر للأكسجين الموجود في biodigester.
المرحلة الثالثة: الأسيتات
يستفيدون من المركبات التي لا يمكن استقلابها بواسطة البكتيريا الميثانوغرافية (الإيثانول ، الأحماض الدهنية ، والعطريات) وتحويلها إلى مركبات أبسط مثل الأسيتات والهيدروجين. إن الكائنات الحية الدقيقة الخاصة جدا acetogenic ، وتسمى homoacetogenic ، قادرة على إنتاج acetate فقط ويمكن استخدامها للحفاظ على ضغوط جزئية منخفضة من غاز الهيدروجين حيث أنها لا تنتجه.
المرحلة الرابعة: تكوين الميثان
تعمل البكتيريا الميثانوغرافية على منتجات المراحل السابقة وتكمل عملية التحلل اللاهوائي من خلال إنتاج الميثان. وقد تبين أن 70 ٪ من الميثان المنتج في بيولوجيستر هو نتيجة لعزل حمض الأسيتيك ، لأن جنسين فقط من البكتيريا ميثانوجيك يمكن أن تستخدم الأسيتات.
محطات الغاز الحيوي
مصنع الغاز الحيوي هو الاسم الذي يطلق على الهضم اللاهوائي الذي يعالج نفايات المزارع أو محاصيل الطاقة. ويمكن إنتاجه باستخدام أجهزة الهضم اللاهوائية (خزانات محكمة الإغلاق مع تكوينات مختلفة). يمكن تغذية هذه النباتات بمحاصيل الطاقة مثل سيلاج الذرة أو النفايات القابلة للتحلل بما في ذلك حمأة المجاري ونفايات الطعام. أثناء العملية ، تحول الكائنات الحية الدقيقة نفايات الكتلة الحيوية إلى غاز حيوي (بشكل رئيسي الميثان وثاني أكسيد الكربون) والهضم.
العمليات الرئيسية
هناك نوعان من العمليات الرئيسية: الهضم mesophilic و thermophilic الذي يعتمد على درجة الحرارة. في العمل التجريبي في جامعة ألاسكا فيربانكس ، أنتج جهاز هضم 1000 لتر باستخدام psychrophiles المحصودة من "الطين من بحيرة متجمدة في ألاسكا" ما بين 200 و 300 لتر من الميثان في اليوم ، حوالي 20٪ -30٪ من الناتج من الهضم في مناخ أكثر دفئًا.
مخاطر
إن تلوث الهواء الناتج عن الغاز الحيوي مماثل لتلوث الغاز الطبيعي. يعرض محتوى كبريتيد الهيدروجين السام مخاطر إضافية وكان مسؤولاً عن الحوادث الخطيرة. إن تسرب الميثان غير المحترق خطر إضافي ، لأن الميثان هو غاز دفيئة قوي.
الغاز الحيوي يمكن أن يكون متفجراً عند خلطه في نسبة جزء من الغاز الحيوي إلى 8-20 جزء من الهواء. يجب اتخاذ احتياطات السلامة الخاصة لإدخال جهاز الهضم الحيوي للغاز الحيوي لأعمال الصيانة. من المهم ألا يكون لنظام الغاز الحيوي ضغطًا سلبيًا لأن هذا قد يتسبب في حدوث انفجار. يمكن أن يحدث ضغط الغاز السلبي إذا تمت إزالة أو تسرب كمية كبيرة من الغاز. وبسبب هذا الغاز الحيوي لا ينبغي استخدامه عند الضغط تحت بوصة واحدة من الماء ، مقاسة بواسطة مقياس الضغط.
يجب إجراء فحوصات الرائحة المتكررة على نظام الغاز الحيوي. إذا تم شم رائحة الغاز الحيوي في أي مكان ، فيجب فتح النوافذ والأبواب على الفور. إذا كان هناك حريق ، فيجب إغلاق الغاز عند صمام بوابة نظام الغاز الحيوي.
غاز المدفن
يتم إنتاج غاز المدفن من النفايات العضوية الرطبة المتحللة تحت الظروف اللاهوائية في الغاز الحيوي.
يتم تغطية النفايات ويتم ضغطها ميكانيكياً بواسطة وزن المادة المودعة أعلاه. هذه المواد تمنع التعرض للأكسجين مما يسمح للميكروبات اللاهوائية بالازدهار. تتراكم البيوجاز وتنطلق ببطء في الجو إذا لم يتم تصميم الموقع لالتقاط الغاز. يمكن أن يكون غاز المكب الذي يتم إطلاقه بطريقة غير مضبوطة خطراً لأنه قد يصبح متفجراً عندما يهرب من المكب ويختلط بالأكسجين. الحد الأدنى للانفجار هو 5٪ ميثان والعليا هو 15٪ ميثان.
الميثان في الغاز الحيوي هو أقوى بـ 28 مرة من غاز الدفيئة من غاز ثاني أكسيد الكربون. ولذلك ، فإن غاز المكب غير المنضبطة ، الذي ينجرف إلى الغلاف الجوي قد يساهم بشكل كبير في تأثيرات ظاهرة الاحتباس الحراري. بالإضافة إلى ذلك ، تساهم المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) في غاز المدفن في تشكيل الضباب الدخاني الكيميائي الضوئي.
تقني
الطلب الأكسجيني الكيميائي الحيوي (BOD) هو مقياس لكمية الأوكسجين التي تتطلبها الكائنات الدقيقة الهوائية لتحلل المادة العضوية في عينة من المواد المستخدمة في مادة التحلل البيولوجي وكذلك الطلب الأوكسجيني البيولوجي للتصريف السائل الذي يسمح بحساب انتاج الطاقة اليومي من biodigester.
مصطلح آخر متعلق بمحللات بيولوجية هو القذارة السائلة ، والتي تحكي كمية المواد العضوية الموجودة لكل وحدة من مصدر الغاز الحيوي. وحدات نموذجية لهذا الإجراء في BOD / لتر ملغ. وكمثال على ذلك ، يمكن أن تتراوح نفايات الفضلات السائلة ما بين 800-1200 ملغم من الـ BOD / لتر في بنما.
يمكن الحصول على 0.45 متر مكعب من الغاز الحيوي من 1 كجم من النفايات العضوية التي تم إيقاف تشغيلها. يبلغ سعر جمع النفايات البيولوجية من المنازل حوالي 70 يورو للطن.
تكوين
يختلف تكوين الغاز الحيوي باختلاف تركيب الركيزة ، وكذلك الظروف داخل المفاعل اللاهوائي (درجة الحرارة ، ودرجة الحموضة ، وتركيز الركيزة). عادةً ما تحتوي غازات مدافن النفايات على تركيزات الميثان حوالي 50٪. يمكن لتكنولوجيات معالجة النفايات المتقدمة إنتاج غاز حيوي بنسبة 55٪ - 75٪ ميثان ، والتي يمكن للمفاعلات التي بها سوائل حرّة أن تزيد إلى 80٪ -90٪ ميثان باستخدام تقنيات تنقية الغاز في الموقع. كما هو منتَج ، يحتوي الغاز الحيوي على بخار الماء. الحجم الجزئي لبخار الماء هو دالة على درجة حرارة الغاز الحيوي. يمكن تصحيح حجم الغاز المقاس لمحتوى بخار الماء والتوسع الحراري بسهولة عبر الرياضيات البسيطة التي تنتج الحجم القياسي للغاز الحيوي الجاف.
في بعض الحالات ، يحتوي الغاز الحيوي على siloxanes. وهي تتشكل من التحلل اللاهوائي للمواد التي توجد عادة في الصابون والمنظفات. أثناء احتراق الغاز الحيوي المحتوي على siloxanes ، يتم إطلاق السليكون ويمكن أن يتحد مع الأكسجين الحر أو عناصر أخرى في غاز الاحتراق. تتكون الودائع التي تحتوي في الغالب السيليكا (SiO2) أو السيليكات (SixOy) ويمكن أن تحتوي على الكالسيوم ، الكبريت ، الزنك ، الفوسفور. تتراكم هذه الرواسب المعدنية البيضاء لسماكة سطحها عدة ملليمترات ويجب إزالتها بوسائل كيميائية أو ميكانيكية.
تتوفر تكنولوجيات عملية وفعالة من حيث التكلفة لإزالة السيلوكسانات وغيرها من ملوثات الغاز الحيوي.
بالنسبة إلى 1000 كيلوغرام (وزن رطب) من المدخلات في محلل بيولوجي نموذجي ، قد يكون إجمالي المواد الصلبة 30٪ من الوزن الرطب في حين أن المواد الصلبة العالقة المتطايرة قد تكون 90٪ من إجمالي المواد الصلبة. البروتين سيكون 20 ٪ من المواد الصلبة المتطايرة ، الكربوهيدرات سوف تكون 70 ٪ من المواد الصلبة المتطايرة ، وأخيرا الدهون ستكون 10 ٪ من المواد الصلبة المتطايرة.
مزايا
كوقود حيوي ، لديها العديد من المزايا:
تخفيض انبعاثات غازات الدفيئة ، كما هو مذكور أعلاه ؛
انخفاض كبير في انبعاثات الجسيمات الدقيقة مقارنة بالديزل والبنزين ؛
الحد من بعض الميكروبات في النفايات السائلة الزراعية (القولونيات على وجه الخصوص) ؛
بديل عن الطاقات الخارجية الأخرى (الأحفوري والنووي) ، مصدر الدخل للمشغل الذي ينقذ نفقات الطاقة الخاصة به و / أو يبيع طاقته أكثر فأكثر ؛
انخفاض في حمولة الكربون من النفايات النباتية. بمجرد هضمها ، تكون النفايات أقل ضررًا بالبيئة ؛ كما ينخفض خطر التلوث البيولوجي أو العضوي بدرجة كبيرة ، ويقلل التخمر من نسبة المادة الجافة ، وذلك لتقليل الحجم المطلوب نقله وانتشاره ؛
يتم التعامل مع السماد مجانا من قبل أو للمزارعين الذين يستردونه في نهاية الدورة ، بعد إنتاج الميثان ، ونوعية أفضل لأنه لا "يحرق" النباتات ، فإنه يتم التخلص من العديد من مسببات الأمراض وجميع بذور "الأعشاب الضارة" "أنها يمكن أن تحتوي.
ويمكن أيضا أن يتم حقنه في شبكة الغاز الطبيعي بعد التنقية. هذا هو الحل الذي يوفر أفضل كفاءة في استخدام الطاقة ، إذا كانت الشبكة قريبة بدرجة كافية من نقطة الإنتاج. هذا الحل مدعوم الآن من قبل مشغلي الشبكات ، الذين يفكرون حتى في استخدام غاز أخضر 100٪ في عام 2050. وفي فرنسا ، خلص آفسيت في عام 2009 إلى أن حقن الغاز الحيوي المنقى في الشبكة لا يمثل مشكلة صحية معينة.
فوائد السماد الحيوي المشتقة
يتم إنتاج مستويات عالية من الميثان عند تخزين السماد تحت الظروف اللاهوائية. أثناء التخزين وعند تطبيق السماد على الأرض ، يتم إنتاج أكسيد النيتروز أيضًا كمنتج ثانوي لعملية إزالة النتروجين. أكسيد النيتروز (N2O) هو 320 مرة أكثر عدوانية كغاز الدفيئة من ثاني أكسيد الكربون والميثان 25 مرة أكثر من ثاني أكسيد الكربون.
من خلال تحويل سماد البقر إلى غاز الميثان الحيوي عن طريق الهضم اللاهوائي ، ستكون ملايين الأبقار في الولايات المتحدة قادرة على إنتاج 100 مليار كيلوواط ساعة من الكهرباء ، وهو ما يكفي لتشغيل ملايين المنازل في جميع أنحاء الولايات المتحدة. في الواقع ، يمكن أن تنتج بقرة واحدة ما يكفي من السماد الطبيعي في يوم واحد لتوليد 3 كيلوواط ساعة من الكهرباء ؛ هناك حاجة إلى 2.4 كيلو واط ساعة من الكهرباء لتشغيل مصباح كهربائي واحد 100 واط لمدة يوم واحد. علاوة على ذلك ، من خلال تحويل سماد الماشية إلى غاز الميثان الحيوي بدلاً من تركه يتحلل ، يمكن تقليل غازات الاحترار العالمي بمقدار 99 مليون طن متري أو 4٪.
تطبيقات
يمكن استخدام الغاز الحيوي لإنتاج الكهرباء في أعمال الصرف الصحي ، في محرك غاز CHP ، حيث يتم استخدام الحرارة المهدورة من المحرك بشكل مريح لتسخين الهضم. طبخ؛ تدفئة؛ تسخين المياه؛ ومعالجة التدفئة. إذا تم ضغطها ، يمكن أن تحل محل الغاز الطبيعي المضغوط لاستخدامها في المركبات ، حيث يمكن أن تعمل على وقود محرك احتراق داخلي أو خلايا وقود ، وهي محلل أكثر فاعلية لثاني أكسيد الكربون من الاستخدام العادي في مصانع CHP في الموقع.
بالإضافة إلى استخدامه الخاص في الزراعة ، يعتبر الغاز الحيوي مناسبًا أيضًا كمساهمة في مزيج الطاقة من الطاقات المتجددة. وذلك لأنه ، من ناحية ، قادر على توليد الحمل الأساسي ، مما يعني أن الغاز الحيوي متاح باستمرار ، على النقيض من مصادر الطاقة المتجددة الأخرى مثل الرياح أو الشمس. من ناحية أخرى ، يمكن تخزين الكتلة الحيوية والغاز الحيوي ، الأمر الذي يمكن أن يسهم في ارتفاع إمدادات الطاقة. لذلك ، فإن مصدر الطاقة الحيوية هذا مناسب لتعويض التقلبات قصيرة الأجل في إمدادات الكهرباء من طاقة الرياح والطاقة الشمسية. حتى الآن ، يتم تشغيل معظم محطات الغاز الحيوي بشكل مستمر ، فعليًا كمحطة طاقة حمولة أساسية. لاستخدام الطاقة المتضمنة الخيارات التالية متوفرة: الحرارة والطاقة المركزة في الموقع (CHP): يتم استخدام الغاز الحيوي في محطة مشتركة لتوليد الطاقة وتوليد الطاقة (CHP) لإنتاج الكهرباء والحرارة (CHP) ؛ يتم تغذية الكهرباء بالكامل في الشبكة ، يمكن استخدام الحرارة المهدورة بنسبة 60٪ تقريبًا في الموقع. بدلا من ذلك ، يمكن تغذية الغاز الحيوي في شبكة الإمداد بعد العلاج المناسب.
وحدات التوليد المشترك
في ألمانيا ، يعد حرق الغاز الحيوي في محطات الحرارة والطاقة المشتركة (CHP) أكثر الطرق شيوعًا لإنتاج الكهرباء بالإضافة إلى الحرارة التي يتم إدخالها في شبكة الكهرباء.
وبما أن معظم عائدات الغاز الحيوي يتم توليدها من خلال بيع الكهرباء ، فإن المستهلك الحراري لديه وحدة مشتركة للحرارة والطاقة ، والتي تنتج الكهرباء كمنتج رئيسي للتغذية بالشبكة وتغذي الحرارة بشكل مثالي في شبكة التدفئة المحلية أو المحلية. مثال على شبكة التدفئة المركزية هي قرية الطاقة الحيوية Jühnde. ولكن حتى الآن ، لا يستخدم سوى جزء صغير من الحرارة في معظم مصانع الغاز الحيوي الزراعية بسبب نقص الطلب على الحرارة في الموقع ، على سبيل المثال لتدفئة المخمرة والمباني السكنية والتجارية.
شبكة الغاز الحيوي
البديل هو نقل الغاز الحيوي في خطوط الغاز الحيوي عبر شبكات الغاز الصغيرة. وبالتالي يمكن أن يحدث إنتاج الكهرباء والحرارة مع مستهلكي الحرارة.
مزيد من أنواع الاستخدام
يمكن استخدام الغاز الحيوي كوقود شبه محايدة CO2 في محركات السيارات. بما أن التحضير لجودة الغاز الطبيعي ضروري ، يجب إزالة مكون CO2 إلى أقصى حد ممكن. يمكن استخدامه تجاريا بعد الفصل ، على سبيل المثال في صناعة المشروبات. يجب ضغط ما يسمى غاز الميثان الحيوي أو الحيوي الحيوي إلى 200 إلى 300 بار من أجل استخدامها في المركبات المحولة.
تستخدم الشاحنات التي تملكها شركة Walter Schmid AG والشركة المرتبطة بها Kompogas الغاز الحيوي في سويسرا منذ عام 1995 ، ووصلت أول شاحنة لها إلى مليون كيلومتر في صيف عام 2010. حتى عام 2001 ، انتقلت أيضًا إلى Migros Zurich مع Kompogas ومنذ 2002 ماكدونالدز في سويسرا.
حتى الآن ، نادرًا ما يستخدم الغاز الحيوي بهذه الطريقة. في عام 2006 ، افتتحت أول محطة للغاز الحيوي الألمانية في Jameln (Wendland).
نظرًا للكفاءة الكهربائية العالية ، قد يكون استخدام الغاز الحيوي في خلايا الوقود مثيرًا للاهتمام في المستقبل. فالسعر المرتفع لخلايا الوقود وتنقية الغاز المتقنة والاختبارات العملية حتى الآن لا تزال فترة حياة قصيرة تمنع حتى الآن تطبيقًا أوسع لهذه التكنولوجيا.
الغاز الحيوي ترقية
الغاز الحيوي الخام الناتج عن عملية الهضم هو حوالي 60٪ من الميثان و 29٪ من ثاني أكسيد الكربون مع عناصر نزرة من H2S: غير مناسب للاستخدام في الآلات. إن الطبيعة المدمرة لـ H2S وحدها كافية لتدمير الآليات.
يمكن تركيز الميثان في الغاز الحيوي عبر ترقيات الغاز الحيوي إلى نفس معايير الغاز الطبيعي الأحفوري ، الذي يجب أن يمر بنفسه بعملية تنظيف ، ويصبح ثنائي الميثان. إذا سمحت شبكة الغاز المحلية ، قد يستخدم منتج الغاز الحيوي شبكات التوزيع الخاصة بهم. يجب أن يكون الغاز نظيفًا جدًا للوصول إلى جودة خطوط الأنابيب ويجب أن يكون من التكوين الصحيح لشبكة التوزيع. يجب إزالة ثاني أكسيد الكربون والماء وكبريتيد الهيدروجين والجسيمات إذا وجدت.
هناك أربع طرق رئيسية للترقية: غسيل المياه ، وامتصاص ضغط الأرجوحة ، وامتصاص السيليكسول ، ومعالجة غاز الأمينات. بالإضافة إلى ذلك ، يزداد استخدام تقنية الفصل الغشائي لرفع مستوى الغاز الحيوي ، وهناك بالفعل العديد من المصانع العاملة في أوروبا والولايات المتحدة الأمريكية.
الأسلوب الأكثر انتشارًا هو غسيل الماء حيث يتدفق غاز الضغط العالي إلى عمود حيث يتم تنقية ثاني أكسيد الكربون والعناصر النزرة الأخرى عن طريق التدفق المتدفق للماء المتدفق إلى الغاز. يمكن أن يوفر هذا الترتيب 98٪ ميثان مع الشركات المصنعة التي تضمن خسارة غاز الميثان بنسبة 2٪ كحد أقصى في النظام. يستغرق ما يقرب من 3 ٪ إلى 6 ٪ من إجمالي إنتاج الطاقة في الغاز لتشغيل نظام ترقية الغاز الحيوي.
حقن الغاز بالغاز الحيوي
حقن شبكة الغاز هو حقن الغاز الحيوي في شبكة الميثان (شبكة الغاز الطبيعي). حتى اختراق الحرارة والقدرة الجزئية مجتمعة فقد ثلثا الطاقة التي تنتجها محطات توليد الطاقة البيولوجية (كحرارة). باستخدام الشبكة لنقل الغاز إلى العملاء ، يمكن استخدام الطاقة للتوليد في الموقع ، مما يؤدي إلى الحد من الخسائر في نقل الطاقة. تتراوح خسائر الطاقة النموذجية في أنظمة نقل الغاز الطبيعي من 1٪ إلى 2٪. في مجال نقل الكهرباء تتراوح من 5 ٪ إلى 8 ٪.
قبل أن يتم حقنه في شبكة الغاز ، يمر الغاز الحيوي بعملية تنظيف ، يتم من خلالها ترقيته إلى جودة الغاز الطبيعي. أﺛﻧﺎء ﻋﻣﻟﯾﺔ اﻟﺗﻧظﯾف ، ﺗﺗم إزاﻟﺔ ﻣﮐوﻧﺎت اﻟﺗﺗﺑﻊ اﻟﻣؤذﯾﺔ ﻟﺷﺑﮐﺔ اﻟﻐﺎز.
الغاز الحيوي في النقل
إذا تركزت وضغطت ، فيمكن استخدامها في نقل المركبات. أصبح استخدام الغاز الحيوي المضغوط على نطاق واسع في السويد وسويسرا وألمانيا. يعمل قطار يعمل بالغاز الحيوي ويدعى Biogaståget Amanda (قطار الغاز الحيوي Amanda) في الخدمة في السويد منذ عام 2005. وتدير شركة Biogas السيارات. في عام 1974 ، عرض فيلم وثائقي بريطاني بعنوان Sweet as a Nut تفاصيل عملية إنتاج الغاز الحيوي من روث الخنازير وأظهر كيف أنه غذى محرك احتراق مكيف. في عام 2007 ، تم تزويد ما يقدر بنحو 12000 سيارة بالغاز الحيوي المعدل في جميع أنحاء العالم ، ومعظمها في أوروبا.
Biogasmax: طاقة النفايات من أجل النقل الحضري البيئي
Biogasmax هو مشروع أوروبي للبرنامج الإطاري السادس للأبحاث والتطوير FP6 - 6 برنامج الإطار (2000-2006) للمفوضية الأوروبية. وهو جزء من مبادرات أوروبا للحد من اعتمادها على الوقود الأحفوري. واستنادا إلى الخبرات الحالية في أوروبا ، فإنه يعزز التقنيات والإنجازات التي تثبت قيمة استخدام الغاز الحيوي كوقود للنقل البري ، استنادا إلى الودائع المتاحة في المناطق الحضرية في أوروبا.
سيُظهر هذا المشروع الذي يمتد لأربع سنوات ، الموثوقية التقنية والفوائد البيئية والمجتمعية والمالية. واستنادا إلى مظاهرات واسعة النطاق ، سيعمل المشروع على تحسين العمليات الصناعية القائمة والبحث عن عمليات جديدة. بالإضافة إلى قيمته التقنية ، فإن Biogasmax لديها وظيفة كشفية لتقليل العوائق أمام الدخول ، سواء كانت تقنية أو تشغيلية أو مؤسسية أو تنظيمية. سيتم نشر المعرفة المكتسبة في جميع أنحاء الاتحاد الأوروبي ، وخاصة في الدول الأعضاء الجديدة.
في الواقع ، هذا المشروع لا يبدأ من حالة عذراء. يشارك أعضاؤها في مشاريع مبتكرة في هذا المجال ، وبعضها لفترة طويلة. إنه مشروع إثبات أوروبي وليست نية.
يشمل Biogasmax مدنًا مثل ليل في فرنسا ، ستوكهولم وغوتنبرغ في السويد ، روما في إيطاليا ، برن في سويسرا ، تورون وزيلونا غورا في بولندا. المشروع محاط بمهارات متقدمة في ألمانيا (ISET في Kassel لجوانب تنقية وتركيز الغاز الحيوي ، وجامعة شتوتغارت لتحليل دورة الحياة للوقود الحيوي) ، ونقل المهارات ، وكذلك مجموعة من الشركاء العامين والخاصين في البلدان المعنية: بشكل رئيسي مشغلي إدارة النفايات والطاقة.
يتم تمثيل معظم التجارب الأكثر نجاحًا التي تتضمن حاليًا استخدام الغاز الحيوي كوقود في Biogasmax ، مما يوفر إطارًا عالي الإنتاجية للاتصال والعمل.
يمثل Biogasmax وجهة نظر من التجارب: حددت كل مدينة استراتيجيتها وأهدافها كما هو موضح على الموقع الإلكتروني للمشروع. هناك تبادل مكثف بين الشركاء ، مما يؤدي إلى عدد من النتائج والتقارير الفنية المتاحة على شبكة الإنترنت. هذه الرؤية للنتائج مصحوبة أيضًا بوثائق إستراتيجية حول تطور الميثان الحيوي (الغاز الحيوي المكيّف إلى كربن المحرك) ، ومشاركته في النظر في تغير المناخ والمساعدة في نظره في المدن الحضرية .. هذه التبادلات ، مثمرة من الداخل ، وبالتالي ينتشر إلى المجتمع بأسره المعنية ، مع تقدم المشروع وأيضا من خلال عمليات النشر المخصصة.
مع اكتساب أفضل الممارسات ، يستطيع شركاء Biogasmax دمج أفضل المشاركين وتشجيع التفكير والإجراءات المتعلقة بهذا النهج.
بعد Biogasmax ، يقوم برنامج مناطق البيوميتان الأوروبية أيضًا بتعزيز هذه الطاقة
قياس في بيئات الغاز الحيوي
والغاز الحيوي هو جزء من فئة الغاز الرطب والتكثيف (أو الهواء) التي تشمل الضباب أو الضباب في تيار الغاز. إن الضباب أو الضباب هو في الغالب بخار الماء الذي يتكثف على جانبي الأنابيب أو المداخن طوال تدفق الغاز. تشمل بيئات الغاز الحيوي هضم مياه الصرف الصحي ، ومدافن النفايات ، وعمليات تغذية الحيوانات (بحيرات الثروة الحيوانية المغطاة).
تعد أجهزة قياس التدفق فوق الصوتي واحدة من الأجهزة القليلة القادرة على القياس في جو الغاز الحيوي. لا تستطيع معظم عدادات التدفق الحراري توفير بيانات موثوقة لأن الرطوبة تسبب قراءات تدفق عالية ثابتة وتدفق مستمر ، على الرغم من وجود عدادات تدفق كتلة حرارية الإدراج أحادي نقطة قادرة على مراقبة تدفق الغاز الحيوي بدقة مع انخفاض ضئيل للضغط. يمكن أن تتعامل مع تغيرات الرطوبة التي تحدث في تدفق التدفق بسبب تقلبات درجة الحرارة اليومية والموسمية ، وتمثل الرطوبة في تيار التدفق لإنتاج قيمة الغاز الجاف.