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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Bioenergía. Estado y perspectivas. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía Conmociones como la crisis energética de 1973 y el desastre de Chernobyl de 1986 obligaron a la mayoría de los países a reconsiderar sus políticas energéticas con respecto al ritmo y las perspectivas de las fuentes de energía renovables (FER). Quedó claro que no basta con desarrollar energía respetuosa con el medio ambiente sólo en el propio país, mientras los países vecinos siguen construyendo y explotando instalaciones nucleares similares en fiabilidad a la cuarta unidad de la central nuclear de Chernobyl. Es necesario unir los esfuerzos de científicos de diferentes países en el campo del desarrollo de energías no tradicionales. Las tendencias negativas en el desarrollo de la energía tradicional se deben principalmente a la presencia de dos factores: el rápido agotamiento de los recursos naturales y la contaminación ambiental. Según la ONU, se espera que los depósitos de carbón se agoten entre 2082 y 2500. Las prometedoras tecnologías energéticas tradicionales aumentan la eficiencia del uso de la energía, pero no mejoran la situación medioambiental: la contaminación térmica, química y radiactiva del medio ambiente puede tener consecuencias catastróficas. En este sentido, es necesario identificar oportunidades para el uso racional de los recursos energéticos tradicionales, por un lado, y el desarrollo de trabajos científicos y técnicos sobre el uso de fuentes de energía renovables y no tradicionales, por el otro. Todos los recursos energéticos de la Tierra son, en última instancia, productos de la actividad del Sol. Casi toda la energía no tradicional es la transformación y aprovechamiento de la energía solar por métodos directos e indirectos. Los métodos directos de aprovechamiento de la energía solar se basan en convertir la radiación solar en energía eléctrica o térmica. Los métodos indirectos se basan en el uso de energía cinética y potencial, que surgen como resultado de la interacción de la radiación solar con la geosfera. El mayor potencial energético se caracteriza por la energía eólica, la energía fluvial, las mareas y olas del mar, la energía de biomasa. Varios países extranjeros han adoptado programas nacionales para el desarrollo de energía a partir de fuentes no tradicionales, el trabajo se lleva a cabo por iniciativa de agencias gubernamentales y empresas privadas y los préstamos se otorgan a bajas tasas de interés. La producción de energía utilizando fuentes renovables en 1992 en los países de la Unión Europea se presenta en la Tabla 1. Los factores negativos en el desarrollo de la energía tradicional en Ucrania son particularmente graves y se ven agravados por el desequilibrio en el desarrollo del complejo energético, por lo que el uso de fuentes de energía renovables es de particular importancia. La necesidad y posibilidad de desarrollar esta área de la energía se debe a las siguientes razones:
Tabla 1. Producción de energía utilizando FER en 1992 en los países de la CEE
Los recursos de fuentes de energía renovables en Ucrania son importantes; su uso eficiente puede representar una parte muy importante del sector energético. Así, cuando se utilizan cantidades adecuadas de energía proveniente de fuentes renovables y la posibilidad de reemplazar con ellas los productos petrolíferos, el porcentaje de esta energía sobre la cantidad total de productos petrolíferos consumidos por año en el país (300 millones de toneladas de combustible equivalente por año) es 0,2% para biogás. La ubicación y características operativas de las centrales eléctricas existentes se muestran en la Tabla 2. Tabla 2. Instalaciones básicas en Ucrania
La biomasa es una fuente de energía renovable eficiente. Los recursos de biomasa en diversas formas están disponibles en casi todas las regiones, y en casi todas ellas se puede transformar su transformación en energía y combustible. Al nivel actual, la biomasa puede cubrir entre el 6% y el 10% de las necesidades energéticas totales de los países industrializados. Cada año en la Tierra, mediante la fotosíntesis, se forman alrededor de 120 mil millones de toneladas de materia orgánica seca, lo que equivale en energía a más de 400 mil millones de toneladas de petróleo. La biomasa se utiliza en las siguientes áreas: combustión directa, gasificación, producción de alcohol etílico como combustible para motores, producción de biogás a partir de residuos agrícolas y domésticos. La biomasa, principalmente en forma de leña, es la principal fuente de energía para aproximadamente 2 mil millones de personas. Para la mayoría de los habitantes de las zonas rurales del Tercer Mundo, representa la única fuente de energía disponible. La biomasa, como fuente de energía, juega un papel vital en los países desarrollados. En general, la biomasa proporciona una séptima parte del volumen de combustible mundial y, en términos de cantidad de energía obtenida, ocupa el tercer lugar, junto con el gas natural. La biomasa produce 4 veces más energía que la que proporciona la energía nuclear. En los países de la Unión Europea, la proporción de energía de biomasa en 1992 fue aproximadamente el 55% de la producción total de energía renovable. El uso más eficiente de la energía de la biomasa se da en Portugal, Francia, Alemania, Dinamarca, Italia y España. En 986, la Comisión de la UE decidió financiar 153 proyectos utilizando biomasa y residuos. El importe de la financiación ascendió a 70,6 millones de ecus. La Dirección de la UE ha lanzado un nuevo programa de investigación de cuatro años en el campo de las fuentes de energía no nucleares. Se han destinado 4 millones de dólares a la investigación sobre el uso de la biomasa durante 2 años. EE.UU. Los recursos de biomasa en Europa en 12 fueron: leña - 2000, residuos de madera - 75, residuos agrícolas - 70, residuos urbanos - 250 millones de toneladas. Además, la biomasa cultivada en plantaciones energéticas producirá 250 millones de toneladas al año. Debido a la necesidad de reducir drásticamente el impacto nocivo del transporte por carretera en el medio ambiente, se prestó atención al uso de biomasa en este ámbito. Aquí se han esbozado una serie de direcciones para reemplazar la gasolina peligrosa para el medio ambiente por combustible respetuoso con el medio ambiente. Brasil ha desarrollado un programa para el uso de etanol como combustible alternativo, reemplazando hasta el 22% (en volumen) de la gasolina. El etanol se obtiene procesando caña especialmente cultivada. Más del 7% de la gasolina suministrada contiene un 10% de aditivo de etanol, y el 80% de las flotas de vehículos de este país utilizan este aditivo. Estados Unidos también está implementando un gran programa para reemplazar la gasolina por etanol, que se produce procesando excedentes de maíz y otros cultivos de granos. El uso de alcohol como combustible también ha ganado apoyo en algunos países europeos, en particular Francia y Suecia. En Ucrania aún no se ha considerado el problema de sustituir la gasolina por alcohol. Se estudia la posibilidad de cultivar colza en zonas contaminadas con elementos radiactivos para obtener aceite de colza y utilizarlo como combustible en motores diésel. Esta idea está siendo desarrollada actualmente por especialistas de Ucrania y Alemania. En la energía no tradicional, un lugar especial lo ocupa el procesamiento de biomasa (residuos agrícolas y domésticos orgánicos) mediante fermentación de metano para producir biogás que contiene aproximadamente un 70% de metano y fertilizantes orgánicos desinfectados. La utilización de biomasa en la agricultura es extremadamente importante, donde se consumen grandes cantidades de combustible para diversas necesidades tecnológicas y la necesidad de fertilizantes de alta calidad crece constantemente. En total, actualmente se utilizan o desarrollan en el mundo unos 60 tipos de tecnologías de biogás. El biogás es una mezcla de metano y dióxido de carbono formada en reactores especiales: tanques de metano, diseñados y controlados de tal manera que garanticen la máxima liberación de metano. La energía obtenida al quemar biogás puede alcanzar entre el 60 y el 90% de la que posee el material fuente. Sin embargo, el biogás se produce a partir de una masa líquida que contiene un 95% de agua, por lo que en la práctica es bastante difícil determinar el rendimiento. Otra ventaja muy importante del proceso de procesamiento de biomasa es que sus residuos contienen significativamente menos patógenos que el material original. La producción de biogás está económicamente justificada y es preferible cuando se procesa un flujo constante de residuos (efluentes de explotaciones ganaderas, mataderos, residuos vegetales, etc.). La rentabilidad radica en el hecho de que no es necesaria la recogida preliminar de residuos, la organización y gestión de su suministro; se sabe cuántos residuos se generarán y cuándo. La producción de biogás, posible en instalaciones de diversos tamaños, resulta especialmente eficaz en complejos agroindustriales, donde es posible un ciclo ecológico completo. El biogás se utiliza para iluminación, calefacción, cocina, maquinaria, transporte y generadores eléctricos. En la digestión anaeróbica, la materia orgánica se descompone en ausencia de oxígeno. Este proceso incluye dos etapas (Fig. 1). En la primera etapa, los polímeros orgánicos complejos (fibra, proteínas, grasas, etc.), bajo la influencia de la comunidad natural de varios tipos de bacterias anaeróbicas, se descomponen en compuestos más simples: ácidos grasos volátiles, alcoholes inferiores, hidrógeno y monóxido de carbono. Ácidos acético y fórmico, alcohol metílico. En la segunda etapa, las bacterias productoras de metano convierten los ácidos orgánicos en metano, dióxido de carbono y agua.
Figura 1 Esquema de digestión de materia orgánica Los anaerobios primarios están representados por varios grupos fisiológicos de bacterias: bacterias destructivas de células, fermentadoras de carbono (como las bacterias del ácido butírico), bacterias amonificantes (proteínas en descomposición, péptidos, aminoácidos), grasas en descomposición, etc. Gracias a esta composición, los anaerobios primarios Se pueden utilizar una variedad de compuestos orgánicos de origen vegetal y animal, que es una de las características más importantes de la comunidad del metano. La estrecha conexión entre estos grupos de bacterias garantiza una estabilidad suficiente del proceso. La fermentación del metano ocurre a temperaturas medias (mesófilas) y altas (termófilas). La mayor productividad se logra con la fermentación termófila de metano. La peculiaridad del consorcio de metano permite que el proceso de fermentación sea continuo. Para el curso normal del proceso de digestión anaeróbica se requieren condiciones óptimas en el reactor: temperatura, condiciones anaeróbicas, concentración suficiente de nutrientes, rango aceptable de valores de pH, ausencia o baja concentración de sustancias tóxicas. La temperatura influye mucho en la digestión anaeróbica de materiales orgánicos. La mejor fermentación se produce a una temperatura de 30-40°C (desarrollo de la flora bacteriana mesófila), así como a una temperatura de 50-60°C (desarrollo de la flora bacteriana termófila). La elección del modo de funcionamiento mesófilo o termófilo se basa en un análisis de las condiciones climáticas. Si se requieren gastos de energía significativos para garantizar temperaturas termófilas, entonces operar reactores a temperaturas mesófilas será más eficiente. Además de las condiciones de temperatura, el tiempo de procesamiento de los residuos influye en el proceso de fermentación del metano y en la cantidad de biogás producido. Al operar reactores, es necesario controlar el valor del pH, cuyo valor óptimo está en el rango de 6,7 a 7,6. Este indicador se regula añadiendo cal. Durante el funcionamiento normal del reactor, el biogás resultante contiene entre un 60% y un 70% de metano, entre un 30% y un 40% de dióxido de carbono, una pequeña cantidad de sulfuro de hidrógeno, así como impurezas de hidrógeno, amoníaco y óxidos de nitrógeno. Los reactores más eficientes son los que funcionan en modo termófilo a 43-52°C. Con una duración del tratamiento del estiércol de 3 días, el rendimiento de biogás en dichas plantas es de 4,5 litros por litro de volumen útil del reactor. Para intensificar el proceso de fermentación anaeróbica del estiércol y la liberación de biogás, se añaden catalizadores orgánicos a la masa inicial, que cambian la proporción de carbono y nitrógeno en la masa fermentada (relación óptima C/N = 20/1 - 30/1). . Como tales catalizadores se utilizan glucosa y celulosa. El contenido aproximado de nitrógeno y la relación entre el contenido de carbono y nitrógeno en diversos desechos por peso seco se presentan en la Tabla 3. Cuadro 3. Contenido de nitrógeno y relación C/N en diversos desechos
El biogás obtenido durante la fermentación tiene un poder calorífico de 5340-6230 kcal/m3 (6,21+7,24 kWh/m3). En las cámaras de fermentación es necesario agitar vigorosamente para evitar la formación de una capa de sustancia flotante en la parte superior. Esto acelera significativamente el proceso de fermentación y la producción de biogás. Sin mezclar, para obtener la misma productividad, es necesario aumentar significativamente el volumen de los reactores. De ahí que la consecuencia sean costes elevados y mayores costes de instalación. La mezcla se lleva a cabo:
Los residuos generados durante el proceso de producción de biogás contienen cantidades importantes de nutrientes y pueden utilizarse como fertilizante. La composición del residuo obtenido del procesamiento anaeróbico de desechos animales depende de la composición química de la materia prima cargada en el reactor. En condiciones favorables para la digestión anaeróbica, aproximadamente el 70% de la materia orgánica normalmente se descompone y el 30% permanece en el residuo. La principal ventaja de la digestión anaeróbica es que prácticamente todo el nitrógeno contenido en la materia prima se retiene en forma orgánica o de amonio. El método de digestión anaeróbica es el más adecuado para el procesamiento de residuos ganaderos desde el punto de vista de la higiene y la protección del medio ambiente, ya que proporciona la mayor desinfección de los residuos y la eliminación de microorganismos patógenos. La fase líquida del estiércol después de la digestión anaeróbica suele cumplir con los requisitos de calidad de las aguas residuales de las autoridades medioambientales. La masa orgánica líquida gastada ingresa a través de la cámara de descarga al depósito de masa fermentada y desde allí se bombea a los tanques, con la ayuda de los cuales se aplica estiércol común a los campos. La cantidad de biogás que se puede aislar de diversos desechos, residuos y mezclas agrícolas en condiciones óptimas de procesamiento anaeróbico depende de la cantidad de sustrato, las condiciones del proceso, la composición bacteriana en el reactor, etc. Algunos datos se muestran en la Tabla 4. Cuadro 4. Rendimiento de metano (biogás) a partir de la fermentación de metano de desechos agrícolas
Para aumentar la productividad se mezclan diferentes residuos (tabla 5). Tabla 5. Incremento de la producción de biogás al mezclar diferentes residuos
Se estima que la necesidad anual de biogás para calentar un edificio residencial es de unos 45 m2 por 1 m2 de espacio habitable, el consumo diario para calentar agua para 100 cabezas de ganado es de 5 a 6 m2. El consumo de biogás al secar heno (1 tonelada) con un contenido de humedad del 40% es igual a 100 m2, 1 tonelada de grano son 15 m2, para obtener 1 kW. h de electricidad - 0,7+0,8 m2. En Ucrania, sólo las grandes empresas porcinas y avícolas generan anualmente más de 3 millones de toneladas de desechos orgánicos en materia seca, cuyo procesamiento permitirá obtener alrededor de 1 millón de toneladas de pies cúbicos. toneladas en forma de biogás, lo que equivale a 8 mil millones de kW. h de electricidad. Además, en Ucrania hay alrededor de 2 millones de granjas familiares no gasificadas. La experiencia de países desprovistos de gas natural (por ejemplo, China) demuestra que es aconsejable gasificar las zonas rurales remotas mediante pequeñas bioinstalaciones que explotan los residuos orgánicos de las explotaciones agrícolas familiares. Así, la instalación de 2 millones de instalaciones en Ucrania permitiría obtener alrededor de 2 mil millones de m2 de biogás al año. lo que equivale a 13 mil millones de kW. h de energía y proporcionaría a las explotaciones familiares fertilizantes orgánicos por una cantidad de 10 millones de toneladas al año. Según datos de 1990, el número medio anual de cerdos en granjas colectivas, granjas estatales y otras granjas en Ucrania era de casi 20 millones de cabezas; en el caso del ganado vacuno, esta cifra superó los 25 millones, en el caso de las ovejas y las cabras, respectivamente, unos 9 millones, y en el de las aves, unos 85 millones. La cantidad de estiércol y excrementos de dicho ganado por año: de cerdos - 45 millones de toneladas, de ganado vacuno - más de 290 millones de toneladas, de ovejas y cabras - 6 millones de toneladas, de aves de corral - casi 4 millones de toneladas. La experiencia en la creación de plantas de biogás demuestra que su diseño y características tecnológicas están determinadas por diversos factores y, en primer lugar, por la materia prima, sus propiedades y su procesamiento previo. En muchos países del mundo se han creado, probado y operado con éxito tanto pequeñas granjas como grandes instalaciones industriales para procesar estiércol en biogás. En Alemania hay 60 nuevas plantas de biogás que producen biogás a partir de desechos ganaderos. Mediante la fermentación de residuos con un contenido de residuos secos del 5 al 15% se obtiene biogás con un poder calorífico de 5,6 a 6,7 kWh/m2. La densidad del biogás es de 1,22 g/m2. Su concentración explosiva en el aire es del 19 al 25%. El consumo de energía para necesidades propias oscila entre el 20 y el 30% del biogás producido. El período de recuperación es de 4,2 años. Caterpillar produce ES (sistemas de energía) autónomos equipados con motores de encendido por chispa capaces de utilizar biogás generado a partir de la descomposición de residuos en los vertederos. En Noruega se instaló la primera de dos centrales eléctricas de 360 kW. El ES está completamente automatizado; el equipo de conmutación es capaz de sincronizar el funcionamiento del ES con la red eléctrica local. El gas se suministra desde 36 pozos de 14 m de profundidad, que penetran en la capa de residuos de veinte años de antigüedad. Esto asegura un consumo de biogás de 300 m3/hora. El contenido de metano en el biogás es del 48-57%. En el sureste de Inglaterra, dos centrales eléctricas de biogás proporcionan una potencia combinada de 1000 kW para una planta de procesamiento de gas, de los cuales sólo 360 kW se utilizan para las necesidades de la planta y los 650 kW restantes se inyectan a la red nacional. La empresa Blue Cirkle (Reino Unido) prevé producir 7,5 MW de energía eléctrica utilizando biogás procedente de 3 vertederos del sur de Inglaterra. En los países de Europa occidental se ha establecido la producción en serie de plantas de biogás de flujo. Una de estas instalaciones procesa estiércol de 10 gallinas ponedoras, lo que proporciona una producción media diaria de 100 m3 de biogás (60% metano) y se amortiza en 1,9 años cuando se utilizan escorias fermentadas como fertilizante orgánico. En Suiza, una planta de biogás con una productividad media de 100 m3 por día procesa el estiércol de 30 vacas en un tanque de sedimentación subterráneo con una capacidad de 80 m3. Un tanque cilíndrico con una capacidad de 540 m3, cubierto con una película de polímero, se utiliza para fermentar estiércol y almacenar biogás. El biogás se utiliza para generar electricidad en una planta de calentamiento de agua. Allí también funciona una planta de biogás, todas sus unidades están situadas directamente debajo de la granja porcina. El biogás se almacena en un tanque y se utiliza en el sistema de calefacción. La productividad de una planta de biogás para el pastoreo del ganado en verano es la mitad que en invierno. Al mismo tiempo, aproximadamente un tercio del biogás se utiliza para sus propias necesidades tecnológicas y el resto se utiliza para calentar agua y calentar la granja. 1 m3 de biogás equivale a 0,7 litros de fuel oil. El biogás tiene altas propiedades antidetonantes y puede servir como un excelente combustible para motores de combustión interna con encendido forzado y motores diésel, sin requerir su conversión adicional (solo es necesario ajustar el sistema de energía). Pruebas comparativas han demostrado que el consumo específico de gasóleo es de 220 g/kWh de potencia nominal y el de biogás de 0,4 m3/kWh. En este caso, se necesitan unos 300 g/kW, h (m.b. - 300 g) de combustible de arranque (combustible diésel utilizado como “encendedor” del biogás). Como resultado, el ahorro de combustible diésel ascendió al 86%. Con una carga del motor del 40% y una velocidad del cigüeñal de 1400 rpm (nivel de carga promedio para los tractores en Suiza), el consumo de combustible diesel es de 250 g/kW, h, cuando se usa biogás - 80 g/kW, h más el consumo de biogás 9,6, 3 m70 /kWh, lo que corresponde a casi un XNUMX% de ahorro de combustible diésel. En Wippachdelhausen (Alemania) se puso en funcionamiento una planta de biogás de tipo universal, diseñada para la digestión de purines y el procesamiento de estiércol de ganado vacuno, porcino y avícola. El reactor de biogás funciona a una temperatura de 35°C y una presión de 2,0 a 5,0 kPa tanto en modo continuo como por lotes. En Ucrania, Zaporozhye KTISM ha desarrollado un conjunto de equipos del tipo “Cobos” para la digestión anaeróbica del estiércol. En el pueblo funciona una instalación de este tipo con un volumen de 250 m3. Hrebinki, región de Kyiv. En la granja estatal Rassvet, región de Zaporozhye, se probó una instalación con una capacidad de estiércol de 10 m3/día. UkrNIIAgroproekt tiene plantas piloto: en la granja avícola de Kiev, funcionamiento por lotes con un volumen de 20 m3, en la granja estatal Rossiya, región de Cherkasy - con un volumen de 200 m3. En la granja subsidiaria de la Asociación Internacional de Investigación y Producción Sumy que lleva el nombre. En Frunze, para 3000 cabezas de cerdo, hay una planta depuradora de aguas residuales con un volumen de 300 m3. Las características técnicas, económicas y operativas de algunas plantas de biogás se presentan en la Tabla 7. Para desarrollar la bioenergía en Ucrania con el fin de obtener biogás y fertilizantes de alta calidad, es necesario crear un mecanismo económico que estimule el trabajo científico y técnico en esta área, la producción y la implementación de equipos adecuados. Tabla 7. Indicadores técnicos, económicos y operativos de plantas de biogás.
Ahora ya sabemos que los desechos orgánicos más comunes de una granja rural (estiércol de animales, copas de jardín, malezas y otra "materia orgánica"), bajo ciertas condiciones, pueden convertirse en una fuente de gas combustible muy necesario en el hogar, adecuado para cocinar, calentar el local y obtener agua caliente. Llamémoslo biogás. El biogás, si no completamente, al menos parcialmente, puede satisfacer las necesidades de combustible de los residentes rurales, propietarios de casas de verano y parcelas de jardín. Además, durante la producción de biogás, los desechos se aprovechan por completo, como resultado, no solo mejoran las condiciones sanitarias del territorio, se destruyen los patógenos de enfermedades infecciosas, desaparecen los pasillos desagradables de las plantas en descomposición, mueren las semillas de malezas, sino que También se forman los fertilizantes orgánicos más valiosos y de alta calidad, que tienen un mayor potencial de humus. Pero para que cada uno pueda construir con sus propias manos una sencilla planta de biogás en su propio patio trasero, es útil conocer las principales características de la tecnología de producción de biogás a partir de residuos orgánicos, así como los factores que influyen en la productividad del biogás. plantas y los diseños de estas plantas. Autor: Shomin A.A.
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