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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Fundamentos de las tecnologías del biogás. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía ¿Qué es una planta de biogás? Una planta de biogás, por regla general, es un recipiente herméticamente cerrado en el que, a una determinada temperatura, se fermenta la masa orgánica de residuos, aguas residuales, etc. con la producción de biogás. El principio de funcionamiento de todas las plantas de biogás es el mismo: después de recolectar y preparar la materia prima, que consiste en llevarla al contenido de humedad deseado en un contenedor especial, se alimenta al reactor, donde se crean las condiciones para optimizar el procesamiento de materias primas. El proceso de obtención de biogás y biofertilizante a partir de materias primas se denomina fermentación o fermentación. La fermentación de materias primas se lleva a cabo debido a la actividad vital de bacterias especiales. Durante la fermentación, aparece una costra en la superficie de la materia prima, que debe destruirse mezclando la materia prima. La mezcla se lleva a cabo manualmente o con la ayuda de dispositivos especiales dentro del reactor y promueve la liberación del biogás resultante de la materia prima. El biogás resultante, después de la limpieza, se recolecta y almacena hasta el momento de su uso en el tanque de gas. Desde el tanque de gas hasta el lugar de uso en el hogar u otros electrodomésticos, el biogás se lleva a cabo a través de tuberías de gas. Las materias primas procesadas en el reactor de la planta de biogás, convertidas en biofertilizantes, se descargan a través de la boca de descarga y se aplican al suelo o se utilizan como aditivo en la alimentación de los animales.
Optimización del procesamiento de materias primas Las condiciones necesarias para el procesamiento de residuos orgánicos dentro del reactor de una planta de biogás, además de observar un régimen libre de oxígeno, incluyen:
Tipos de plantas de biogás Hay muchos diseños diferentes de plantas de biogás. Se distinguen por el método de carga de materias primas, por su apariencia y por los componentes de la estructura y los materiales con los que están construidos. Según el método de carga de materias primas, se distinguen instalaciones de carga por lotes y continua, que difieren en el tiempo de fermentación y la regularidad de carga de materias primas. Las más eficientes en términos de producción de biogás y producción de biofertilizantes son las plantas de carga continua. En cuanto a la apariencia, las instalaciones difieren según el método de acumulación y almacenamiento de biogás. El gas se puede recolectar en la parte sólida superior del reactor, bajo una cúpula flexible, o en un gasómetro especial, flotando o de pie separado del reactor. Beneficios de utilizar tecnologías de biogás Una planta de biogás que funcione bien aporta una serie de beneficios a su propietario, a la sociedad y al medio ambiente en general: Ahorrar dinero:
Posibilidad de conseguir dinero extra:
Rápida amortización de las instalaciones:
Ahorro de tiempo, espacio y mano de obra femenina:
Beneficios ambientales:
Más sobre biogás El biogás se forma por bacterias durante la descomposición de materia orgánica en condiciones anaeróbicas (sin acceso de aire) y es una mezcla de metano y otros gases en las siguientes proporciones: Tabla 1. Composición del biogás
El poder calorífico de un metro cúbico de biogás, dependiendo del contenido de metano, es de 20-2S MJ/m3, lo que equivale a quemar 0,6 - 0,8 litros de gasolina; 1,3 - 1,7 kg de leña o utilizar 5 - 7 kW de electricidad'3. Proceso de fermentación biológica. Durante la fermentación de las materias primas en las plantas de biogás, las bacterias productoras de metano descomponen la materia orgánica y devuelven los productos de descomposición en forma de biogás y otros componentes al medio ambiente. El conocimiento del proceso de digestión es esencial para el diseño, construcción y operación de plantas de biogás. Composición de la materia prima y producción de biogás En principio, todas las sustancias orgánicas están sujetas a procesos de fermentación y descomposición. Sin embargo, en plantas de biogás simples, es preferible procesar solo residuos orgánicos homogéneos y líquidos: excrementos y orina de ganado, cerdos y aves, heces humanas. En plantas de biogás más complejas, es posible procesar otros tipos de desechos orgánicos: residuos vegetales y desechos sólidos. La cantidad de biogás producido depende del tipo de materia prima utilizada y de la temperatura del proceso de digestión. Uso de biogás
El biogás se puede utilizar en cualquier aparato de gas, al igual que se utiliza el gas natural. El uso más eficiente del biogás es para cocinar, calentar espacios, generar energía y alimentar vehículos. Sobre biofertilizantes En Kirguistán, como en muchos otros países en desarrollo, existe un vínculo directo entre el problema de los fertilizantes y la degradación de la tierra, así como el problema de la deforestación debido a la gran demanda de leña. En las zonas rurales, el estiércol seco (estiércol) y los desechos orgánicos suelen quemarse para cocinar y calentar las viviendas. Este uso de residuos orgánicos provoca una pérdida importante de nutrientes para las plantas, que tanto necesita la agricultura para mantener la fertilidad del suelo. El uso de tecnologías de biogás asegurará el máximo uso de los recursos disponibles para la población rural: el biolodo que queda después de la producción de biogás es un fertilizante eficaz que mejora la calidad general de la tierra y aumenta la productividad. Características de los biofertilizantes. El biofertilizante contiene una serie de sustancias orgánicas que contribuyen a aumentar la permeabilidad y la higroscopicidad del suelo, al mismo tiempo que previenen la erosión y mejoran las condiciones generales del suelo. La materia orgánica también es la base para el desarrollo de microorganismos que convierten los nutrientes en una forma que las plantas puedan absorber fácilmente. La práctica muestra que el rendimiento de las plantas con el uso de biofertilizantes aumenta significativamente. Historia del desarrollo de tecnologías de biogás Se han registrado casos individuales de uso de tecnologías primitivas de biogás en China, India, Asiria y Persia, a partir del siglo XVII a. Sin embargo, la investigación científica sistemática sobre el biogás comenzó recién en el siglo XVIII dC, después de casi 3,5 años.
En 1764, Benjamin Franklin, en su carta a Joseph Priestley, describió un experimento en el que pudo incendiar la superficie de un lago pantanoso poco profundo en Nueva Jersey, EE. UU. La primera justificación científica para la formación de gases inflamables en pantanos y sedimentos lacustres fue dada por Alexander Volta en 1776, estableciendo la presencia de metano en el gas de pantano. Tras el descubrimiento de la fórmula química del metano por Dalton en 1804, los científicos europeos dieron los primeros pasos en la investigación de la aplicación práctica del biogás. Los científicos rusos también contribuyeron al estudio de la formación de biogás. El efecto de la temperatura sobre la cantidad de gas liberado fue estudiado por Popov en 1875. Descubrió que los sedimentos de los ríos comienzan a liberar biogás a temperaturas de alrededor de 6°C. Con un aumento de la temperatura a 50 °C, la cantidad de gas liberado aumentó significativamente, sin cambiar su composición: 65 % de metano, 30 % de dióxido de carbono, 1 % de sulfuro de hidrógeno y una pequeña cantidad de nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y monóxido de carbono. VL Omelyansky estudió en detalle la naturaleza de la fermentación anaeróbica y las bacterias involucradas en ella. Poco después, en 1881, científicos europeos comenzaron a experimentar con el uso de biogás para la calefacción de espacios y el alumbrado público. A partir de 1895, las farolas de uno de los distritos de Exeter se alimentaban con gas, que se obtenía como resultado de la fermentación de aguas residuales y se recogía en contenedores cerrados. Dos años más tarde, hubo un informe de producción de biogás en Bombay, donde el gas se recogió en un colector y se usó como combustible para motores en varios motores. A principios del siglo XX, se continuó investigando en el campo de aumentar la cantidad de biogás aumentando la temperatura de fermentación. Los científicos alemanes Imhoff y Blank en 1914-1921. patentó una serie de innovaciones, que consistieron en la introducción del calentamiento constante de los contenedores. Durante la Primera Guerra Mundial se inició la expansión de las plantas de biogás en Europa, asociadas a la escasez de combustible. Las fincas con tales instalaciones estaban en condiciones más favorables, aunque las instalaciones todavía eran imperfectas y usaban modos lejos de ser óptimos. Uno de los pasos científicos más importantes en la historia del desarrollo de tecnologías de biogás son los exitosos experimentos de Buswell sobre la combinación de varios tipos de desechos orgánicos con estiércol como materia prima en los años 30 del siglo XX. La primera planta de biogás a gran escala se construyó en 1911 en la ciudad inglesa de Birmingham y se utilizó para desinfectar los lodos de depuradora de la ciudad. El biogás producido se utilizó para generar electricidad. Así, los científicos británicos son pioneros en la aplicación práctica de la nueva tecnología. Ya para 1920 se habían desarrollado varios tipos de plantas de tratamiento de aguas residuales. La primera planta de biogás de residuos sólidos de 10 m3 fue diseñada por Isman y Ducelier y construida en Argel en 1938. Durante la Segunda Guerra Mundial, cuando los recursos energéticos eran muy escasos, en Alemania y Francia se hizo hincapié en la obtención de biogás a partir de residuos agrícolas, principalmente estiércol animal. En Francia, a mediados de la década de 40, estaban en funcionamiento unas 2 plantas de biogás para el procesamiento de estiércol. Como es natural, esta experiencia se extendió a los países vecinos. En Hungría había fábricas para la producción de biogás. Esto lo notaron los soldados del ejército soviético, en su mayoría de las áreas rurales de la URSS, que liberaron a Hungría de las tropas alemanas y se sorprendieron de que en las granjas campesinas, el estiércol de ganado no se amontonara, sino que se cargara en contenedores cerrados, de donde salía combustible. se obtuvo gas. Las instalaciones europeas de la preguerra no pudieron resistir la competencia de la posguerra de fuentes de energía baratas (combustibles líquidos, gas natural, electricidad) y fueron desmanteladas. Un nuevo impulso para su desarrollo sobre nuevas bases fue la crisis energética de los años 70, cuando comenzó la introducción espontánea de plantas de biogás en los países del sudeste asiático. La alta densidad de población y el uso intensivo de todas las áreas de tierra aptas para el cultivo de cultivos, así como un clima lo suficientemente cálido necesario para el uso de plantas de biogás en la versión más simple sin calentamiento artificial de las materias primas formaron la base de varios programas nacionales e internacionales. para la introducción de tecnologías de biogás. Hoy en día, las tecnologías de biogás se han convertido en el estándar para el tratamiento de aguas residuales y el procesamiento de residuos agrícolas y sólidos y se utilizan en la mayoría de los países del mundo. Los paises desarrollados En la mayoría de los países desarrollados, el procesamiento de desechos orgánicos en plantas de biogás se utiliza con mayor frecuencia para la producción de calor y electricidad. La energía producida de esta manera es alrededor del 3-4% de toda la energía consumida en los países europeos. En Finlandia, Suecia y Austria, que fomentan el uso de energía de biomasa a nivel estatal, la proporción de energía de biomasa alcanza el 15-20 % de toda la energía consumida. El uso de electricidad y calor producido por el procesamiento anaeróbico de biomasa en Europa se concentra principalmente en Austria, Finlandia, Alemania, Dinamarca y el Reino Unido. Actualmente hay alrededor de 2000 grandes plantas de digestión anaeróbica en Alemania. El número de plantas de biogás con volúmenes de reactor de más de 2000 m3 cada una en Austria es actualmente de más de 120, con alrededor de 25 plantas en planificación y construcción. La figura 4 muestra una planta industrial en la localidad de Ribe, que procesa anualmente 164 mil toneladas de biomasa y produce 5.5 millones de m3 de biogás, que se vende a la planta de cogeneración de la localidad vecina para calefacción y generación de electricidad. El estiércol es suministrado diariamente por agricultores que actúan sobre la base de un contrato y están interesados en recibir estiércol ya procesado en forma de biofertilizantes. Se puede encontrar un alto grado de desarrollo del mercado para las tecnologías de biogás en las áreas de eliminación de aguas residuales municipales, tratamiento de aguas residuales industriales y eliminación de residuos agrícolas. En Suecia, la energía de biomasa proporciona el 50% de la energía térmica requerida. En Inglaterra, en la patria del primer reactor industrial de biogás, con la ayuda del biogás ya en 1990, fue posible cubrir todos los costos de energía en la agricultura. Londres tiene una de las plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas más grandes del mundo.
En la década de 30, la experiencia de Europa se trasladó a Estados Unidos. La planta de biogás para el procesamiento de desechos de ganado fue construida en 1939 y ha estado operando exitosamente por más de 30 años. En 1954, se construyó la primera planta para el procesamiento de residuos municipales con producción de biogás en Fort Dodge, Iowa, EE. UU. Se alimentó biogás a un motor de combustión interna para generar electricidad en un generador de energía de 175 kW. Ahora hay varios cientos de grandes plantas de biogás en los Estados Unidos que procesan desechos animales y miles de plantas que utilizan aguas residuales municipales. El biogás se utiliza principalmente para generar electricidad, calefacción doméstica e invernaderos. El aumento de las emisiones de gases de efecto invernadero, el aumento del uso y la contaminación del agua, la disminución de la fertilidad de la tierra, la gestión ineficiente de los desechos y los crecientes problemas de deforestación son parte de un sistema insostenible de uso de los recursos naturales en todo el mundo. Las tecnologías de biogás son uno de los componentes importantes en la cadena de medidas para combatir los problemas anteriores. La previsión de crecimiento de la contribución de la biomasa como fuente de energía renovable en el mundo supone alcanzar el 23,8% del consumo total de energía en 2040, y en 2010 los países de la UE prevén aumentar esta contribución hasta el 12%.
Países en desarrollo La proporción de energía derivada de la biomasa en los países en desarrollo es de alrededor del 30-40 % de toda la energía consumida, y en algunos países (principalmente en África) alcanza el 90 %24. Entre los países en desarrollo, es común producir energía y calor mediante el procesamiento de desechos en pequeñas plantas de biogás. Alrededor de 16 millones de hogares en todo el mundo usan energía para iluminación, calefacción y cocina producida en plantas de biogás. Esto incluye 12 millones de hogares en China, 3,7 millones de hogares en India y 140 hogares en Nepal. En la China rural, más de 50 millones de personas utilizan actualmente biogás como combustible. Una planta de biogás típica tiene un volumen de reactor de aproximadamente 6-8 m3, produce 300 m3 de biogás por año, funciona de 3 a 8 meses al año y cuesta alrededor de $200-250, dependiendo de la provincia. La mayoría de las plantas son muy simples y, después de un poco de capacitación, los agricultores construyen y operan las plantas ellos mismos. Desde 2002, el gobierno chino ha proporcionado unos 200 millones de dólares anuales para apoyar la construcción de plantas de biogás. La subvención de cada instalación es de aproximadamente el 50% del coste medio. Así, el gobierno ha logrado un aumento anual en el número de plantas de biogás a 1 millón por año. Varios miles de instalaciones medianas y grandes están operando a nivel industrial en China, y se planea aumentar su número. En India, el desarrollo de plantas de biogás simples para viviendas rurales comenzó en la década de 50. Hasta la fecha, hay alrededor de 3,7 millones de plantas de biogás en funcionamiento en la India. El Ministerio de Fuentes de Energía No Convencionales de India ha estado implementando plantas de biogás desde la década de 1980 y ha otorgado subsidios y financiamiento para la construcción y operación de plantas de biogás, capacitación de agricultores y la apertura y operación de centros de servicio. La gasificación y la producción de energía térmica a partir de plantas de biogás es una industria en crecimiento en muchos países en desarrollo. En Filipinas, las plantas de biogás han estado produciendo gas para impulsar motores que muelen arroz y hacen funcionar el riego desde la década de 1980. El uso de biogás por parte de pequeñas empresas comerciales en India, Indonesia, Sri Lanka (por ejemplo, en la industria textil o para secar especias, ladrillos, caucho) dio sus frutos en menos de una temporada. URSS, CEI y Kirguistán En la URSS, los fundamentos científicos de la fermentación del metano se han estudiado desde la década de 40. A lo largo de la existencia de la URSS, los institutos del sistema de la Academia de Ciencias participaron en la investigación teórica y la investigación aplicada se llevó a cabo en la Academia de Servicios Públicos. Panfilov e institutos de investigación y diseño agrícola, tales como: el Instituto de Electrificación de la Agricultura de toda la Unión (VIESH), el Instituto Ucraniano de Investigación y Diseño del Complejo Agroindustrial (UkrNIIgiproselkhoz) y otros. El centro principal para el desarrollo de diseños para plantas domésticas de biogás (así como otras máquinas para procesar desechos agrícolas) fue el Instituto Tecnológico y de Diseño de Ingeniería Agrícola de Zaporozhye (KTISM). Los datos recopilados por los científicos formaron la base para la creación de varias instalaciones piloto y de laboratorio, sin embargo, solo se permitió un diseño, KOBOS-1, para las pruebas de aceptación estatales. La unidad KOBOS-1 se probó con éxito sobre la base de un laboratorio de granja lechera experimental y se aprobó para la producción en serie en una planta en la ciudad de Shumikha, Región de Kurgan (Urales del Norte). Fue construido de acuerdo con el programa para dominar la tecnología de procesamiento anaeróbico de desechos como una variante de instalaciones en serie para granjas ganaderas medianas: granjas lecheras para 400 vacas lecheras o granjas porcinas medianas para 4000 cerdos. La planta produjo 10 conjuntos de equipos, pero después del colapso de la URSS, cesó la financiación. De las 10 unidades producidas, tres se distribuyeron en Ucrania y Bielorrusia, cinco se enviaron a Asia Central (dos de las cuales se enviaron a Kirguistán) y dos se enviaron a Rusia. Pero solo se introdujo 1 de ellos: en una granja de ganado en el distrito de Kamenetsky de la región de Brest en Bielorrusia. La planta procesa 50 m3. estiércol y produce 400...500 m3 de biogás al día.
Una de las instalaciones que llegó a Kirguistán fue reequipada por Fluid PF de la Asociación de Agricultores e instalada sobre la base de la granja de cerdos BEKPR OsOO para 4000 cabezas, en el pueblo de Lebedinovka, región de Chui en 2003, la otra se utiliza como colector de agua en el sector privado de la región de Osh. Autores: Vedenev A.G., Vedeneva T.A.
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