Модуль 6.2
Биогаз. Альтернативное топливо для транспорта
1. Введение
Обогащенный биогаз обладает теми же характеристиками, что и природный газ. Поэтому его можно свободно применять в автомобилях, двигатель которых приспособлен под природный газ. "Повышение качества" применительно к биогазу означает его очистку. Во всем мире в 2004 году 3,8 миллиона автомобилей использовали природный газ в качестве топлива (около 0,5% всего мирового автопарка). Больше всего таких автомобилей было в Аргентине, Бразилии, Пакистане и Италии. Все эти легковые автомобили, автобусы и грузовики стали ярким доказательством того, что традиционная конструкция автомобиля позволяет применять в виде автомобильного топлива и биогаз. Благодаря простой, надежной и проверенной технологии, биогаз обладает всеми преимуществами, необходимыми для того, чтобы стать одним из наиболее эффективных и экономически выгодных видов возобновляемого топлива.
2. Характеристики
Интерес к биогазу как альтернативному топливу возник благодаря экологически чистому процессу его сжигания и возможности получения биогаза в местных условиях. Биогаз необходимо хранить и перевозить в автомобилях в сжатом или сжиженном виде, либо как сжатый природный газ (СПГ) под давлением в 200-240 атмосфер, либо же в виде сжиженного газа (ЖПГ) под давлением обычно в 1,4-10 атмосфер.
Химический состав биогаза, получаемого на биогазовых заводах или на оборудовании, установленном непосредственно на свалках, представлен метаном и диоксидом углерода с незначительным содержанием сероводорода и аммиака. В биогазе также присутствуют следы таких элементов, как водород, азот, монооксид углерода. Газовая смесь обычно насыщена водяным паром, в ней также могут содержаться частицы пыли.
По своим характеристикам биогаз до определенной степени сопоставим с природным газом. Его теплотворная способность определяется концентрацией метана. 10%-ное содержание метана в сухом газе соответствует приблизительно 1 кВт?ч /м3. Для того чтобы биогаз можно было использовать как автомобильное топливо, его необходимо очистить от всех примесей, так как они могут вызывать коррозию, осаждаясь на стенках оборудования, и таким образом повредить его. К веществам, от которых биогаз необходимо "очистить", относятся: сероводород, вода, диоксид углерода, галогенные компоненты (хлориды, фториды), силоксаны, ароматические компоненты, воздушные смеси (кислород, азот).
Для того, чтобы заправить биогазом обычный карбюраторный двигатель, т.е. двигатель, работающий на бензине, биогаз должен быть очищенным и содержать не менее 85% метана и 14% азота. Это минимальные требования, которые предъявляются к качеству природного газа для заправки автомобилей. Также необходимо, чтобы качество газа было постоянным. Это необходимо, чтобы предотвратить повышение концентрации оксидов азота - NOx. Первичная очистка биогаза предполагает удаление диоксида углерода. Таким образом, повышается энергетическая ценность газа.
Биогаз всегда содержит сероводород, хотя его концентрация может варьироваться в зависимости от "сырья". Чтобы избежать коррозии автомобильных деталей, таких, например, как компрессор, топливный бак и двигатель, сероводород необходимо удалить. Сероводород легко вступает в реакцию с большинством металлов, а скорость реакции усиливается такими факторами как концентрация сероводорода, давление, наличие воды и повышенная температура. Из-за потенциальных проблем, вызываемых наличием сероводорода, его обычно удаляют на ранней стадии процесса очистки биогаза.
Приведем причины, по которым биогаз (природный газ) используется как альтернативное топливо для автомобилей:
- сокращение выбросов CO2 в атмосферу в транспортном секторе экономики, особенно в городах;
- уменьшение импорта топлива (нефть);
- снижение выбросов метана (10% от мировых объемов метана, попадающего в атмосферу, выбрасывается на свалках);
- увеличение количества рабочих мест в сельскохозяйственном секторе экономики;
- уменьшение количества неприятных запахов;
- решение ряда санитарно-гигиенических проблем.
Количество автомобилей в мире, заправляемых природным газом (2004 год)
| Количество автомобилей, заправляемых природным газом | Количество станций для заправки автомобилей природным газом | |
| Аргентина | 1 100 000 | 1154 |
| Бразилия | 686 305 | 518 |
| Пакистан | 475 000 | 500 |
| Италия | 381 250 | 460 |
| Индия | 222 306 | 192 |
| США | 130 000 | 1300 |
| Китай | 79 600 | 300 |
| Египет | 51 997 | 86 |
| Венесуэла | 44 146 | 149 |
| Украина | 45 000 | 130 |
Европейские автомобилестроители проявляют долгосрочный интерес к автомобилям на природном газе. Помимо компании Fiat, заводы которой первыми начали выпускать автомобили на природном газе, в настоящее время практически все автоконцерны предлагают на рынке модели автомобилей, заправляемые газом. Более того, сегодня четыре европейских производителя выпускают 10 различных моделей автобусов и семь моделей грузовиков, заправляемых газом. Несколько лет назад двигатели для грузовиков нужно было импортировать из США.
Получение и использование биогаза в энергетических целях является одним из направлений, прочно поддерживаемых Евросоюзом. Производство биогаза в странах ЕС постоянно возрастает, и в 2004 году достигло 4,25 млн тонн нефтяного эквивалента.
3. Производство
Биогаз является ценным топливом. Во многих странах мира его производят в специально созданных для этого метантенках, при этом сырьем для получения биогаза служат отходы животноводства или сточные воды. Метантенки бывают различных размеров - от небольшого "домашнего" объемом 1 м3 до больших промышленных установок, объем которых превышает 1000 м3. Загрузка метантенка сырьем может осуществляться постоянно или же партиями. Процесс сбраживания может продолжаться от нескольких дней до нескольких недель. В процессе сбраживания за счет "активности" бактерий, содержащихся в сырье, вырабатывается тепло. Однако для нормального прохождения процесса, т.е для поддержания температуры на уровне не ниже 35?С - идеальной для сбраживания, в прохладных климатических условиях требуется дополнительный подогрев. При правильной эксплуатации метантенк "производит" 200-400 м3 биогаза с содержанием метана от 50% до 75% с каждой сухой тонны сырья.
В настоящее время в Европе действует более 500 станций, получающих биогаз из свалочного газа, что составляет практически 40% от общего производства биогаза. Кроме биогазовых установок на свалочном газе, биогазовых установок на предприятиях по очистке городских и промышленных сточных вод, постоянно растет число сельскохозяйственных биогазовых установок. Например, в Европе в 2001 году таких биогазовых установок было 1500, а в 2004 году их действовало уже более 2000. В качестве сырья в этих установках используются отходы животноводства. В целом, более 4000 биогазовых станций работают сегодня в странах ЕС. Тем не менее, лишь на некоторых из них производят биогаз для дальнейшего использования его в качестве альтернативного автомобильного топлива. Практически на всех этих станциях получаемый биогаз используется для производства тепла и/или электроэнергии.
И все же потенциал использования биогаза в качестве альтернативного и возобновляемого топлива огромен. В густонаселенных регионах экологический эффект, получаемый от сокращения на транспорте выбросов вредных веществ в атмосферу за счет использования биогазового топлива, намного превышает экологические преимущества, получаемые в результате применения биогаза для выработки электроэнергии. Основным препятствием для производства биогаза как альтернативного транспортного топлива является высокая стоимость очистительного оборудования, которая делает мелкомасштабное производство такого биогаза экономически нецелесообразным.
Очищенный биогаз обычно доставляется на заправочные станции специальными автоцистернами, как, например, это осуществляется в Стокгольме. Биогаз также может подаваться в город по специальным газовым трубопроводам, как, например, в другом шведском городе Линчёпинг.
В Швейцарии транспортировка биогаза осуществляется по трубопроводу природного газа. Заправка автомобиля биогазом на заправочной станции носит несколько виртуальный характер, т.е. водитель покупает природный газ. Тем не менее, поставщик газа четко фиксирует в своей базе данных информацию о процентном содержании биогаза в общем объеме поставленного газа и о количестве биогаза, использованном его заправочными станциями. Именно государство осуществляет жесткий контроль над производством и потреблением биогаза в Швейцарии, так как в этой стране биогаз не облагается налогами.
Швеция - одна из наиболее передовых стран мира в области использования автомобилей на биогазе. В 2005 году продажа этих автомобилей возросла на 49%. Например, только в одном городе Гетеборг более 3000 автомобилей ездят на биогазе, а число заправочных биогазовых станций достигло 19. Эта страна обладает и наибольшей в мире биогазовой станцией, и первым биогазовым поездом. Мощность биогазовой станции, строительство которой запланировано в Гетеборге, будет составлять 1600 м3 биогаза в час.
Для более детальной информации о производстве биогаза см. главу Биомасса
4. Окружающая среда
По результатам тестов было установлено, что по сравнению с традиционными грузовиками, заправляемыми дизельным топливом, уровень выбросов монооксида углерода и твердых частиц от современных сверхмощных грузовиков, работающих на природном газе, сокращается на 90%. Более чем на 50% сокращаются выбросы оксидов азота (NOx).
