沼气（Biogas）是指在没有氧气的情况下由有机物分解产生的不同气体的混合物。 沼气可以从农业废弃物，粪肥，城市垃圾，植物材料，污水，绿色垃圾或食物垃圾等原材料中生产。 沼气是一种可再生能源。

沼气可以通过用产甲烷菌或厌氧生物进行厌氧消化来生产，其消化封闭系统内的物质或可生物降解材料的发酵。 该封闭系统称为厌氧消化器，生物消化器或生物反应器。

沼气主要是甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2），可能含有少量的硫化氢（H2S），水分和硅氧烷。 甲烷，氢气和一氧化碳（CO）气体可以用氧气燃烧或氧化。 这种能量释放允许沼气用作燃料; 它可以用于任何加热目的，如烹饪。 它还可以用于燃气发动机，将燃气中的能量转化为电能和热能。

沼气可以被压缩，就像天然气被压缩到CNG一样，并且用于为机动车辆提供动力。 例如，在英国，估计沼气有可能取代约17％的汽车燃料。 它有资格获得世界某些地区的可再生能源补贴。 当沼气变成生物甲烷时，沼气可以被清洁并升级到天然气标准。 沼气被认为是一种可再生资源，因为其生产和使用周期是连续的，并且它不产生净二氧化碳。 随着有机材料的生长，它被转化和使用。 然后它在不断重复的循环中重新生长。 从碳的角度来看，当材料最终转化为能量时，在释放的主要生物资源的生长过程中，大气中吸收的二氧化碳一样多。

沼气的组成和特征
沼气的化学成分主要取决于两个因素：消化中使用的材料和用于该过程的技术。 考虑到这一点，沼气可含有55-70％的甲烷，30-45％的二氧化碳和<5％的痕量其他气体（被认为是杂质）。 它的特点是沼气的热值在6到6.5千瓦时/ Nm 3之间，相当于每立方米沼气0.6到0.65升油。 点火温度为650至750℃。临界压力为74至88大气压。 临界温度为-82.5°C。密度为1.2 kg / m3。 摩尔质量为16,043克/摩尔。 能源价值 这取决于发酵产生的气体成分：它含有的甲烷越多，它的能量就越多。 例如，富含C和H的可发酵材料产生含有高达90％甲烷的沼气，而C和H中较差的纤维素将产生仅55％甲烷（和45％二氧化碳）的沼气 效率 IFEU的研究表明，在德国，使用沼气进行燃气发动机的局部热电联产在温室效应，注入网络和必要的维护方面更有效。 然而，这项研究估计每年每公顷供应相当于5,000升燃料油的能量。 用沼气取代化石燃料和核能几乎需要整个德国的表面。 热电联产的运行效率最多为70％，即损失的30％。 热量的使用通常是季节性的，需要靠近用户并建立分销网络。 还可以提供冷吸热吸收过程。 但是，这种用途仅限于法国的某些地区。 允许气体注入并且可以具有90％的操作效率。 天然气的消耗也是季节性的，但一般情况下，全年可以在网络上进行注入，除非在某些情况下，夏季的几天或几周，消耗量较低，因此网络已经饱和。 通过注入，夏季生物甲烷的生产找到了一个并不总能找到热电联产的出口。 许多气体注入项目都在法国。 例如，枫丹白露（Fontainebleau）在École Supérieuredes Mines的陪同下，每年以项目名称EQUIMETH开始厌氧消化30,000吨马粪。 在世界范围内，在国内使用沼气的情况很普遍，特别是在亚洲 在马里，试点项目在偏远地区进行，以衡量沼气如何以可持续的方式为国内生产能源。 经验表明，通过培训能够支持生产必要设备（煤气表，蒸煮器）和家庭设备维护培训的当地工匠，沼气可以成为使用木质燃料做饭和改善生活条件的可行替代方案。通过其他能源投入（特别是制冷）。 对木材资源的压力已经减少，并且堆肥产品已被用于施肥土壤。 实施该系统（设备，装置，培训）仍然需要财政支持。 Arti是印度的一个非政府组织，正在为热带地区开发一个简单的0.5立方米（高架）蒸煮器，该蒸煮器使用厨余垃圾（富含淀粉和糖）来生产沼气。 1公斤废物在6到8小时内产生400升沼气，这足以烹饪约15至20分钟。 生产 沼气是一种可再生能源，可用于供暖，电力以及使用往复式内燃机的许多其他操作，例如GE Jenbacher或Caterpillar燃气发动机。 为了给这些内燃机提供具有充足气体压力的沼气以优化燃烧，在欧盟范围内，根据欧洲指令2014/34 / EU（以前的94/9 / EG）建造的ATEX离心式风机是强制性的。 这些离心式风扇单元，例如Combimac，Meidinger AG或Witt＆Sohn AG适用于1区和2区。 其他内燃机如燃气轮机适用于将沼气转化为电能和热能。 消化物是未转化为沼气的剩余无机物质。 它可以用作农业肥料。 生产沼气也是; 垃圾填埋气（LFG），由于化学反应和微生物在垃圾填埋场内可生物降解废物的分解产生的，或 作为消化气体，在厌氧消化池内产生。 如今，NANOCLEAN等项目正在开发利用氧化铁纳米粒子在有机废物处理过程中更有效地生产沼气的新方法。 这个过程可以使沼气的产量增加两倍。 生物合成的过程 根据温度，有三种沼气生产范围。 15-25°C：嗜冷 25-45℃：嗜温 45-65°C：嗜热 这些是温带地区最常用的消化池（约38°C）。 垃圾填埋场沼气的回收是非常有趣的，因为释放到大气中的甲烷是比燃烧产生的二氧化碳（CO2）更有效的温室气体。 沼气来源 由厌氧消化或消化厌氧废物产生的沼气可发酵。 最常见的沼气来源是自愿或非自愿的有机物库存： 文化; 垃圾填埋场：根据操作模式的紧密程度，他们的沼气含量更高或更低选择性收集易腐烂的垃圾，通过使用特定的生物反应器（沼气池），可以比排放更快地进行甲烷化 污水处理厂污泥：厌氧消化消除了有机化合物，使植物或多或少地自给自足; 牲畜排放物：法规规定污水储存设备（粪肥，粪肥）必须超过6个月。 该储存时间可用于流出物的甲烷化。 这些是动物粪便，但也包括其他农业废弃物：作物残茬和青贮饲料，奶牛场的污水，市场撤出，草皮等。 农业食品工业的废水也可以进行甲烷化处理。 目标主要是避免过多的有机物质的排斥，并伴随着能量回收; 湖泊和沼泽的底部：沼气是由积聚在那里的有机沉积物自然产生的。 基伍湖沼气的使用始于40多年前，目前正在大规模开发。 沼气生产阶段 通过厌氧消化有机物生产沼气的过程分为四个阶段。 迄今为止进行的生物化学和微生物学研究证明了这一点。 第一阶段：水解 为了开始厌氧分解过程，有机化合物必须穿过细胞壁，从而利用有机物质。 水解微生物产生能够将聚合有机物质转化为可溶性有机化合物的细胞外酶。 该阶段是生物气生产过程的总速度的决定因素，并且可受诸如温度，pH，粒度，基质的生物化学组成等因素的影响。 第二阶段：产酸 可溶性有机分子的转化发生在可被产甲烷菌（乙酸，甲酸和氢）利用的化合物中，其他更多地被还原为（戊酸，丙酸，乳酸等）和某些不能被这些细菌使用的化合物（乙醇） ，脂肪酸和芳香族化合物）。 它们还消除了生物消化器中存在的任何氧气痕迹。 第三阶段：产乙酸 他们利用不能被产甲烷菌（乙醇，脂肪酸和芳烃）代谢的化合物，并将它们转化为更简单的化合物，如乙酸盐和氢气。 非常特殊的产乙酸微生物，称为同型产乙酸，能够仅产生乙酸盐，并且可用于维持氢气的低分压，因为它们不产生氢气。 第四阶段：甲烷生成 产甲烷细菌作用于前一阶段的产物，并通过甲烷的产生完成厌氧分解过程。 已经表明，生物消化器中产生的70％的甲烷是乙酸脱碳的结果，因为只有两个产甲烷菌属可以使用乙酸盐。 沼气厂 沼气厂是经常用于处理农场废弃物或能源作物的厌氧消化池的名称。 它可以使用厌氧消化器（具有不同配置的气密罐）生产。 这些植物可以用能量作物喂养，例如玉米青贮饲料或可生物降解的废物，包括污水污泥和食物垃圾。 在此过程中，微生物将生物质废物转化为沼气（主要是甲烷和二氧化碳）和消化物。 关键流程 有两个关键过程：嗜温和嗜热消化，这取决于温度。 在阿拉斯加费尔班克斯大学的实验工作中，使用从“阿拉斯加冰冻湖中的泥浆”中收集的嗜冷菌的1000升蒸煮器每天产生200-300升甲烷，约占沼气池产量的20％-30％。温暖的气候。 危险 沼气产生的空气污染与天然气相似。 有毒硫化氢的含量存在额外的风险，并且是造成严重事故的原因。 未燃烧的甲烷泄漏是一个额外的风险，因为甲烷是一种强效的温室气体。 当以一份沼气与8-20份空气的比例混合时，沼气可能是爆炸性的。 进入空的沼气池进行维护工作时，必须采取特殊的安全预防措施。 重要的是沼气系统永远不会有负压，因为这可能会导致爆炸。 如果去除或泄漏过多的气体，可能会出现负气压; 因为这种沼气不应该在低于一英寸水柱的压力下使用，用压力计测量。 必须在沼气系统上进行频繁的气味检查。 如果沼气闻到任何地方，应立即打开门窗。 如果发生火灾，应在沼气系统的闸阀处关闭燃气。 垃圾填埋气 垃圾填埋气体是由生物气体中的厌氧条件下分解的湿有机废物产生的。 废物被上面沉积的材料的重量覆盖并机械压缩。 这种材料可以防止氧气暴露，从而使厌氧微生物茁壮成长。 如果没有设计捕获气体，沼气就会积聚并缓慢释放到大气中。 以不受控制的方式释放的垃圾填埋气体可能是危险的，因为当垃圾填埋气体从垃圾填埋场逸出并与氧气混合时会爆炸。 爆炸下限为5％甲烷，上部为15％甲烷。 沼气中的甲烷是温室气体的28倍，而不是二氧化碳。 因此，逃逸到大气中的未包含的垃圾填埋气体可能会对全球变暖的影响产生重大影响。 此外，垃圾填埋气体中的挥发性有机化合物（VOCs）有助于形成光化学烟雾。 技术 生化需氧量（BOD）是需氧微生物分解生物消化器中使用的材料样品中的有机物质所需的氧气量的量度，以及用于液体排放的BOD允许计算生物消化器的每日能量输出。 与生物消化器相关的另一个术语是流出物污垢，它表示每单位沼气源有多少有机物质。 该措施的典型单位为mg BOD /升。 例如，巴拿马的污水肮脏程度可在800-1200毫克BOD /升之间。 从1千克废弃的厨房生物垃圾中，可以获得0.45立方米的沼气。 从家庭收集生物废物的价格约为每吨70欧元。 组成 生物气的组成根据底物组成以及厌氧反应器内的条件（温度，pH和底物浓度）而变化。 垃圾填埋气体通常具有约50％的甲烷浓度。 先进的废物处理技术可以生产含有55％-75％甲烷的沼气，使用原位气体净化技术可以将含有游离液体的反应器增加到80％-90％甲烷。 生产时，沼气含有水蒸气。 水蒸气的分数体积是沼气温度的函数; 通过简单的数学方法可以很容易地校正水蒸气含量和热膨胀的测量气体体积，从而产生标准化的干燥沼气体积。 在某些情况下，沼气含有硅氧烷。 它们由肥皂和洗涤剂中常见的材料的厌氧分解形成。 在含有硅氧烷的沼气燃烧期间，硅被释放并且可以与燃烧气体中的游离氧或其他元素结合。 形成的沉积物主要含有二氧化硅（SiO 2）或硅酸盐（SixOy），并且可含有钙，硫，锌，磷。 这种白色矿物沉积物累积到几毫米的表面厚度，必须通过化学或机械方法除去。 可以使用实用且经济的技术去除硅氧烷和其他沼气污染物。 对于典型生物消化器的1000kg（湿重）输入，总固体可以是湿重的30％，而挥发性悬浮固体可以是总固体的90％。 蛋白质是挥发性固体的20％，碳水化合物是挥发性固体的70％，最后脂肪是挥发性固体的10％。 好处 作为生物燃料，它具有许多优点： 如上所述，减少温室气体排放; 与柴油和汽油相比，细颗粒物排放量显着减少; 减少农业废水中的某些微生物（特别是大肠菌群）; 替代其他外生能源（化石和核能），节省能源费用的运营商的收入来源和/或越来越多地出售他的能源; 减少植物废物的碳负荷。 消化后，废物对环境的危害较小; 生物或有机污染的风险也大大降低，发酵降低了干物质的百分比，减少了运输和扩散的体积; 在生产甲烷之后，粪便被免费处理或者为在周期结束时恢复它的农民处理，因为它不会“燃烧”植物，所以它可以消除许多病原体和“杂草”的所有种子。 “它可以包含。 它也可以在纯化后注入天然气网络。 如果网络足够接近生产点，这就是提供最佳能效的解决方案。 该解决方案现在得到网络运营商的支持，他们甚至在2050年考虑100％的绿色天然气。在法国，Afsset在2009年得出结论，向网络注入纯化的沼气没有造成特别的健康问题。 粪肥衍生沼气的好处 当粪肥在厌氧条件下储存时会产生高水平的甲烷。 在储存期间以及当粪肥施用于土地时，一氧化二氮也作为脱氮过程的副产物产生。 氧化亚氮（N2O）作为温室气体的侵蚀性比二氧化碳和甲烷的二氧化碳高25倍。 通过厌氧消化将牛粪转化为甲烷沼气，美国数百万头牛将能够产生1000亿千瓦时的电力，足以为美国数百万家庭提供电力。 事实上，一头牛可以在一天内产生足够的粪便来产生3千瓦时的电力; 一天只需要2.4千瓦时的电力就可以为一个100瓦的灯泡供电。 此外，通过将牛粪转化为甲烷沼气而不是让其分解，全球变暖气体可减少9900万吨或4％。 应用 沼气可用于污水处理厂的电力生产，在CHP燃气发动机中，发动机的废热可方便地用于加热蒸煮器; 烹饪; 空间加热; 水加热; 和加热过程。 如果压缩，它可以替代压缩天然气用于车辆，在那里它可以为内燃机或燃料电池提供燃料，并且比现场热电联产电厂的正常使用更有效地替代二氧化碳。 除了自己在农业中的应用外，沼气还适用于可再生能源的能源结构。 这是因为，一方面，它能够产生基本负荷，这意味着与其他可再生能源如风或太阳相比，沼气是连续可用的。 另一方面，可以储存生物质和生物气，这可以有助于峰值能量供应。 因此，该生物能源适用于补偿风能和太阳能的电力供应的短期波动。 到目前为止，大多数沼气厂连续运行，几乎作为基本负荷发电厂。 为了使用能源，可以使用以下选项：现场热电联产（CHP）：沼气用于热电联产（CHP）产生电力和热量（CHP）; 电力完全送入电网，大约60％的废热可以在现场使用。 或者，可以在适当处理后将生物气体供给到供应网络中。 热电联产机组 在德国，热电联产（CHP）燃烧沼气是除了供给电网的热量之外最常见的发电方式。 由于大部分沼气收入来自电力销售，因此热量消费者拥有一个热电联产单元，它可以产生电力作为电网馈入的主要产品，并且理想地将热量输送到当地或区域供热网。 区域供热网络的一个例子是生物能源村Jühnde。 然而，到目前为止，由于现场缺乏热量需求，例如用于加热发酵罐以及住宅和商业建筑物，因此在大多数农业沼气工厂中仅使用一小部分热量。 沼气网络 另一种选择是通过微气体网络在沼气管线中运输沼气。 因此，热量消耗者可以进行电力和热量的产生。 其他类型的使用 沼气可用作汽车发动机中几乎为二氧化碳的中性燃料。 由于需要制备天然气质量，因此必须尽可能去除CO2组分。 它可以在分离后在商业上使用，例如在饮料工业中。 所谓的生物甲烷或生物天然气必须压缩至200至300巴，以便用于改装车辆。 Walter Schmid AG和相关公司Kompogas拥有的卡车自1995年以来一直在瑞士使用沼气，2010年夏天第一辆卡车达到了百万公里。截至2001年，还推出了Migros Zurich和Kompogas以及自2002年以来的麦当劳瑞士。 到目前为止，沼气很少以这种方式使用。 2006年，第一个德国沼气站在Jameln（Wendland）开业。 由于高电效率，燃料电池中沼气的利用在未来可能是有趣的。 燃料电池的高价格，精细的气体净化和迄今为止的实际测试仍然使用寿命短，从而阻止了该技术的广泛应用。 沼气升级 消化产生的原始沼气大约含有60％的甲烷和29％的含有微量元素硫化氢的二氧化碳：不适合用于机械。 仅H2S的腐蚀性就足以破坏其机制。 生物气中的甲烷可以通过沼气升级剂浓缩到与化石天然气相同的标准，化石天然气本身必须经过清洁过程，并成为生物甲烷。 如果当地的天然气网络允许，沼气的生产者可以使用他们的分配网络。 气体必须非常干净才能达到管道质量，并且必须具有正确的组成以供配电网络接受。 如果存在，必须除去二氧化碳，水，硫化氢和颗粒。 有四种主要的升级方法：水洗，变压吸收，selexol吸收和胺气处理。 除此之外，用于沼气改质的膜分离技术的使用正在增加，并且已经有几家工厂在欧洲和美国运行。 最普遍的方法是水洗，其中高压气体流入塔中，其中二氧化碳和其他微量元素通过与水反向流动的级联水进行洗涤。 这种安排可以提供98％的甲烷，制造商保证系统中甲烷损失最大2％。 运行沼气升级系统需要大约3％到6％的天然气总能量输出。 沼气注气 气体注入是将沼气注入甲烷网（天然气网）。 直到微热电联产的突破，沼气发电厂产生的所有能源的三分之二都被损失了（作为热量）。 利用电网将气体输送给客户，能量可用于现场发电，从而减少能源运输中的损失。 天然气输送系统的典型能量损失范围为1％至2％; 在电力传输中，它们的范围从5％到8％。 在注入天然气网之前，沼气通过清洁过程，在此过程中沼气升级为天然气质量。 在清洁过程中，去除了对燃气电网和最终用户有害的痕量组分。 运输中的沼气 如果浓缩和压缩，它可以用于车辆运输。 压缩沼气正在瑞典，瑞士和德国广泛使用。 沼气动力火车名为BiogastågetAmanda（The Biogas Train Amanda），自2005年起在瑞典投入使用。沼气为汽车提供动力。 1974年，一部名为Sweet as a Nut的英国纪录片详细介绍了猪粪的沼气生产过程，并展示了它如何为定制的内燃机提供燃料。 2007年，估计有12,000辆汽车在全球范围内使用升级后的沼气进行燃料供应，其中大部分位于欧洲。 Biogasmax：用于环境城市交通的废物能源 Biogasmax是欧洲委员会FP6第六框架计划（2000-2006）第六个研究与开发框架计划的欧洲项目。 这是欧洲减少对化石燃料依赖的举措的一部分。 根据欧洲现有的经验，它根据欧洲城市地区的可用矿床，推广技术和成就，展示使用沼气作为陆路运输燃料的价值。 这个为期四年的项目将展示技术可靠性以及环境，社会和经济效益。 在全面展示的基础上，该项目将优化现有的工业流程并研究新的工业流程。 除了技术价值之外，Biogasmax还具有侦察功能，可以降低进入门槛，无论是技术，运营，机构还是监管。 获得的知识将在整个欧洲联盟，特别是新成员国传播。 事实上，这个项目不是从处女的情况开始的; 其成员长期参与该领域的创新项目。 因此，它是一个欧洲的证明项目而非意图。 Biogasmax包括法国的里尔，瑞典的斯德哥尔摩和哥德堡，意大利的罗马，瑞士的伯尔尼，波兰的托伦和锡隆纳戈拉等城市。 该项目周围有德国的先进技术（卡塞尔的ISET，用于生物气的净化和浓缩，斯图加特大学生物甲烷燃料的生命周期分析），技能转让以及一系列公共和私营合作伙伴在有关国家：主要是废物和能源管理运营商。 目前涉及使用沼气作为燃料的大多数最成功的实验都在Biogasmax中得到了体现，为通信和行动提供了高度多产的框架。 Biogasmax代表了体验的视角：每个城市都有自己的战略和目标，如项目网站所示。 合作伙伴之间进行了激烈的交流，从而在网上提供了许多结果和技术报告。 这种结果的可见性还伴随着关于生物甲烷演变的战略文件（适应发动机碳化的沼气），参与考虑气候变化以及协助其在城市大都市中的考虑。这些交流从内部富有成效，因此，随着项目的进展，也通过临时传播活动，传播到整个有关社区。 通过获得最佳实践，Biogasmax的合作伙伴能够联合最佳参与者，并促进有关此方法的反思和行动。 继Biogasmax之后，欧洲生物甲烷地区项目也在推广这种能源 在沼气环境中测量 沼气是湿气和冷凝气（或空气）类别的一部分，包括气流中的雾或雾。 雾或雾主要是水蒸气，其在整个气流中凝结在管道或烟囱的侧面上。 沼气环境包括废水消化池，垃圾填埋场和动物饲养操作（覆盖牲畜泻湖）。 超声波流量计是少数能够在沼气中测量的装置之一。 大多数热流量计都无法提供可靠的数据，因为水分会导致稳定的高流量读数和连续的流量峰值，尽管有单点插入式热质量流量计能够以最小的压降精确监测沼气流量。 它们可以处理由于日常和季节性温度波动而在流动流中发生的水分变化，并且考虑流动流中的水分以产生干燥气体值。