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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Fondamenti delle tecnologie del biogas. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative Cos'è un impianto a biogas? Un impianto di biogas, di norma, è un contenitore ermeticamente chiuso in cui, ad una certa temperatura, viene fermentata la massa organica di rifiuti, acque reflue, ecc. con la produzione di biogas. Il principio di funzionamento di tutti gli impianti biogas è lo stesso: dopo la raccolta e la preparazione della materia prima, che consiste nel portarla all'umidità desiderata in un apposito contenitore, questa viene immessa nel reattore, dove si creano le condizioni per ottimizzare la lavorazione del materie prime. Il processo per ottenere biogas e biofertilizzante dalle materie prime è chiamato fermentazione o fermentazione. La fermentazione delle materie prime viene effettuata a causa dell'attività vitale di batteri speciali. Durante la fermentazione sulla superficie della materia prima compare una crosta che deve essere distrutta mescolando la materia prima. La miscelazione avviene manualmente o con l'ausilio di appositi dispositivi all'interno del reattore e favorisce il rilascio del biogas risultante dalla materia prima. Il biogas risultante, dopo la pulizia, viene raccolto e stoccato fino al momento dell'utilizzo nel serbatoio del gas. Dal serbatoio del gas al luogo di utilizzo in elettrodomestici o altri apparecchi, il biogas viene trasportato attraverso i tubi del gas. Le materie prime lavorate nel reattore dell'impianto di biogas, trasformate in biofertilizzanti, vengono scaricate attraverso l'apertura di scarico e applicate al terreno o utilizzate come additivo per mangimi per animali.
Ottimizzazione della lavorazione delle materie prime Le condizioni necessarie per il trattamento dei rifiuti organici all'interno del reattore di un impianto biogas, oltre al rispetto di un regime di assenza di ossigeno, comprendono:
Tipi di impianti a biogas Esistono molti modelli diversi di impianti di biogas. Si distinguono per il metodo di caricamento delle materie prime, per il loro aspetto e per i componenti della struttura e dei materiali con cui sono costruiti. Secondo il metodo di caricamento delle materie prime, si distinguono gli impianti di caricamento batch e continuo, che differiscono per il tempo di fermentazione e la regolarità del caricamento delle materie prime. I più efficienti in termini di produzione di biogas e produzione di biofertilizzanti sono gli impianti a caricamento continuo. In termini di aspetto, gli impianti differiscono a seconda del metodo di accumulo e stoccaggio del biogas. Il gas può essere raccolto nella parte solida superiore del reattore, sotto una cupola flessibile, o in un apposito contenitore per gas, galleggiante o separato dal reattore. Vantaggi dell'utilizzo delle tecnologie del biogas Un impianto di biogas ben funzionante porta una serie di vantaggi al suo proprietario, alla società e all'ambiente in generale: Risparmiare soldi:
Possibilità di ricevere denaro aggiuntivo:
Rimborso rapido delle installazioni:
Risparmiare tempo, spazio e lavoro delle donne:
Benefici ambientali:
Maggiori informazioni sul biogas Il biogas è formato da batteri durante la decomposizione di materiale organico in condizioni anaerobiche (senza accesso all'aria) ed è una miscela di metano e altri gas nelle seguenti proporzioni: Tabella 1. Composizione del biogas
Il potere calorifico di un metro cubo di biogas, a seconda del contenuto di metano, è di 20-2S MJ/m3, che equivale a bruciare 0,6 - 0,8 litri di benzina; 1,3 - 1,7 kg di legna da ardere o utilizzare 5 - 7 kW di elettricità'3. Processo di fermentazione biologica Durante la fermentazione delle materie prime negli impianti di biogas, i batteri produttori di metano decompongono la materia organica e restituiscono i prodotti di decomposizione sotto forma di biogas e altri componenti all'ambiente. La conoscenza del processo di digestione è essenziale per la progettazione, la costruzione e il funzionamento degli impianti di biogas. Composizione della materia prima e della produzione di biogas In linea di principio, tutte le sostanze organiche sono soggette a processi di fermentazione e decomposizione. Tuttavia, negli impianti a biogas semplici, è preferibile trattare solo rifiuti organici omogenei e liquidi: escrementi e urine di bestiame, suini e volatili, feci umane. In impianti di biogas più complessi è possibile trattare altri tipi di rifiuti organici - residui vegetali e rifiuti solidi. La quantità di biogas prodotta dipende dal tipo di materia prima utilizzata e dalla temperatura del processo di digestione. Uso di biogas
Il biogas può essere utilizzato in qualsiasi apparecchio a gas, proprio come viene utilizzato il gas naturale. L'uso più efficiente del biogas è per la cottura, il riscaldamento degli ambienti, la generazione di energia e il rifornimento dei veicoli. A proposito di biofertilizzanti In Kirghizistan, come in molti altri paesi in via di sviluppo, esiste un legame diretto tra il problema dei fertilizzanti e il degrado del suolo, nonché il problema della deforestazione a causa dell'elevata domanda di legna da ardere. Nelle zone rurali, letame essiccato (letame) e rifiuti organici vengono spesso bruciati per cucinare e riscaldare le abitazioni. Questo utilizzo di rifiuti organici provoca una perdita significativa di nutrienti per le piante, di cui l'agricoltura ha tanto bisogno per mantenere la fertilità del suolo. L'uso delle tecnologie del biogas assicurerà il massimo utilizzo delle risorse a disposizione della popolazione rurale: il biofango che rimane dopo la produzione di biogas è un fertilizzante efficace che migliora la qualità complessiva del terreno e aumenta la produttività. Caratteristiche dei biofertilizzanti Il biofertilizzante contiene una serie di sostanze organiche che contribuiscono ad aumentare la permeabilità e l'igroscopicità del suolo, prevenendo allo stesso tempo l'erosione e migliorando le condizioni generali del suolo. La materia organica è anche la base per lo sviluppo di microrganismi che convertono i nutrienti in una forma facilmente assorbibile dalle piante. La pratica dimostra che la resa delle piante con l'uso di biofertilizzanti è notevolmente aumentata. Storia dello sviluppo delle tecnologie del biogas Singoli casi di utilizzo di tecnologie primitive del biogas sono stati registrati in Cina, India, Assiria e Persia, a partire dal XVII secolo a.C. Tuttavia, la ricerca scientifica sistematica sul biogas è iniziata solo nel XVIII secolo d.C., dopo quasi 3,5 mila anni.
Nel 1764, Benjamin Franklin, nella sua lettera a Joseph Priestley, descrisse un esperimento in cui fu in grado di appiccare il fuoco alla superficie di un lago paludoso poco profondo nel New Jersey, USA. La prima giustificazione scientifica della formazione di gas infiammabili nelle paludi e nei sedimenti lacustri fu data da Alessandro Volta nel 1776, stabilendo la presenza di metano nei gas di palude. Dopo la scoperta della formula chimica del metano da parte di Dalton nel 1804, gli scienziati europei hanno mosso i primi passi nella ricerca sull'applicazione pratica del biogas. Anche gli scienziati russi hanno dato il loro contributo allo studio della formazione del biogas. L'effetto della temperatura sulla quantità di gas rilasciato fu studiato da Popov nel 1875. Ha scoperto che i sedimenti fluviali iniziano a rilasciare biogas a temperature intorno ai 6°C. Con un aumento della temperatura a 50°C, la quantità di gas rilasciato è aumentata in modo significativo, senza cambiare la composizione: 65% di metano, 30% di anidride carbonica, 1% di idrogeno solforato e una piccola quantità di azoto, ossigeno, idrogeno e monossido di carbonio. VL Omelyansky ha studiato in dettaglio la natura della fermentazione anaerobica e dei batteri coinvolti in essa. Poco dopo, nel 1881, gli scienziati europei iniziarono a sperimentare l'uso del biogas per il riscaldamento degli ambienti e l'illuminazione stradale. A partire dal 1895, i lampioni di uno dei quartieri di Exeter furono riforniti di gas, ottenuto dalla fermentazione delle acque reflue e raccolto in contenitori chiusi. Due anni dopo, ci fu un rapporto sulla produzione di biogas a Bombay, dove il gas veniva raccolto in un collettore e utilizzato come carburante per motori in vari motori. All'inizio del XX secolo, sono proseguite le ricerche nel campo dell'aumento della quantità di biogas aumentando la temperatura di fermentazione. Scienziati tedeschi Imhoff e Blank nel 1914-1921. ha brevettato una serie di innovazioni, che consistevano nell'introduzione del riscaldamento costante dei contenitori. Durante la prima guerra mondiale iniziò la diffusione degli impianti di biogas in Europa, associata ad una carenza di combustibile. Gli allevamenti con tali impianti si trovavano in condizioni più favorevoli, anche se gli impianti erano ancora imperfetti e utilizzavano modalità tutt'altro che ottimali. Uno dei passi scientifici più importanti nella storia dello sviluppo delle tecnologie del biogas sono gli esperimenti di successo di Buswell sulla combinazione di vari tipi di rifiuti organici con il letame come materia prima negli anni '30 del XX secolo. Il primo impianto di biogas su larga scala è stato costruito nel 1911 nella città inglese di Birmingham ed è stato utilizzato per disinfettare i fanghi di depurazione della città. Il biogas prodotto è stato utilizzato per generare energia elettrica. Pertanto, gli scienziati britannici sono pionieri nell'applicazione pratica della nuova tecnologia. Già nel 1920 avevano sviluppato diversi tipi di impianti di trattamento delle acque reflue. Il primo impianto di biogas da rifiuti solidi da 10 m3 fu progettato da Isman e Ducelier e costruito ad Algeri nel 1938. Durante la seconda guerra mondiale, quando le risorse energetiche erano gravemente carenti, in Germania e Francia, l'accento è stato posto sull'ottenimento di biogas da rifiuti agricoli, principalmente letame animale. In Francia, a metà degli anni '40, erano in funzione circa 2 impianti di biogas per la lavorazione del letame. Naturalmente, questa esperienza si è diffusa nei paesi vicini. In Ungheria esistevano stabilimenti per la produzione di biogas. Lo notano i soldati dell'esercito sovietico, per lo più provenienti dalle zone rurali dell'URSS, che liberarono l'Ungheria dalle truppe tedesche e furono sorpresi che nelle fattorie contadine il letame di bestiame non giacesse in cumuli, ma fosse caricato in contenitori chiusi, da dove combustibile è stato ottenuto il gas. Gli impianti europei del periodo prebellico non hanno resistito alla concorrenza nel dopoguerra delle fonti energetiche a basso costo (combustibile liquido, gas naturale, elettricità) e sono stati smantellati. Un nuovo impulso per il loro sviluppo su nuove basi fu la crisi energetica degli anni '70, quando iniziò l'introduzione spontanea di impianti di biogas nei paesi del sud-est asiatico. L'elevata densità di popolazione e l'uso intensivo di tutte le aree di terreno adatte alla coltivazione delle colture, nonché un clima sufficientemente caldo necessario per l'utilizzo degli impianti di biogas nella versione più semplice senza riscaldamento artificiale delle materie prime hanno costituito la base di vari programmi nazionali e internazionali per l'introduzione delle tecnologie del biogas. Oggi le tecnologie del biogas sono diventate lo standard per il trattamento delle acque reflue e la lavorazione dei rifiuti agricoli e solidi e sono utilizzate nella maggior parte dei paesi del mondo. I paesi sviluppati Nella maggior parte dei paesi sviluppati, il trattamento dei rifiuti organici negli impianti di biogas è più spesso utilizzato per la produzione di calore ed elettricità. L'energia prodotta in questo modo è circa il 3-4% di tutta l'energia consumata nei paesi europei. In Finlandia, Svezia e Austria, che incoraggiano l'uso dell'energia da biomassa a livello statale, la quota di energia da biomassa raggiunge il 15-20% di tutta l'energia consumata. L'utilizzo di elettricità e calore prodotti dalla lavorazione anaerobica della biomassa in Europa è concentrato principalmente in Austria, Finlandia, Germania, Danimarca e Regno Unito. Attualmente in Germania esistono circa 2000 grandi impianti di digestione anaerobica. Il numero di impianti di biogas con volumi di reattori superiori a 2000 m3 ciascuno in Austria è attualmente superiore a 120, con circa 25 impianti in fase di progettazione e costruzione. La figura 4 mostra un impianto industriale nella città di Ribe, che lavora annualmente 164 mila tonnellate di biomassa e produce 5.5 milioni di m3 di biogas, che viene venduto all'impianto di cogenerazione della città vicina per il riscaldamento e la produzione di energia elettrica. Il letame viene fornito giornalmente da agricoltori che agiscono sulla base di un contratto e sono interessati a ricevere letame già lavorato sotto forma di biofertilizzanti. Un elevato grado di sviluppo del mercato per le tecnologie del biogas si riscontra nei settori dello smaltimento delle acque reflue urbane, del trattamento delle acque reflue industriali e dello smaltimento dei rifiuti agricoli. In Svezia, l'energia da biomassa fornisce il 50% dell'energia termica richiesta. In Inghilterra, nella patria del primo reattore industriale a biogas, con l'aiuto del biogas già nel 1990 era possibile coprire tutti i costi energetici dell'agricoltura. Londra ha uno dei più grandi impianti di trattamento delle acque reflue domestiche al mondo.
Negli anni '30, l'esperienza dell'Europa fu trasferita negli Stati Uniti. L'impianto di biogas per il trattamento dei reflui zootecnici è stato costruito nel 1939 e funziona con successo da più di 30 anni. Nel 1954 viene costruito a Fort Dodge, Iowa, USA, il primo impianto per il trattamento dei rifiuti urbani con produzione di biogas. Il biogas è stato immesso in un motore a combustione interna per generare elettricità in un generatore di potenza di 175 kW. Ora ci sono diverse centinaia di grandi impianti di biogas negli Stati Uniti che trattano rifiuti animali e migliaia di impianti che utilizzano acque reflue municipali. Il biogas è utilizzato principalmente per generare elettricità, riscaldamento domestico e serre. L'aumento delle emissioni di gas serra, l'aumento dell'uso dell'acqua e dell'inquinamento, la diminuzione della fertilità della terra, la gestione inefficiente dei rifiuti e i crescenti problemi di deforestazione fanno tutti parte di un sistema insostenibile di utilizzo delle risorse naturali in tutto il mondo. Le tecnologie del biogas sono una delle componenti importanti nella catena di misure per combattere i problemi di cui sopra. La previsione di crescita per il contributo della biomassa come fonte di energia rinnovabile nel mondo ipotizza di raggiungere il 23,8% del consumo totale di energia entro il 2040, ed entro il 2010 i paesi dell'UE prevedono di aumentare tale contributo al 12%.
Paesi in via di sviluppo La quota di energia derivata dalla biomassa nei paesi in via di sviluppo è di circa il 30-40% di tutta l'energia consumata, e in alcuni paesi (principalmente in Africa) raggiunge il 90%24. Nei paesi in via di sviluppo è comune produrre energia e calore attraverso il trattamento dei rifiuti in piccoli impianti di biogas. Circa 16 milioni di famiglie nel mondo utilizzano l'energia per l'illuminazione, il riscaldamento e la cucina prodotta negli impianti di biogas. Ciò include 12 milioni di famiglie in Cina, 3,7 milioni di famiglie in India e 140 famiglie in Nepal. Nella Cina rurale, più di 50 milioni di persone utilizzano attualmente il biogas come combustibile. Un tipico impianto di biogas ha un volume del reattore di circa 6-8 m3, produce 300 m3 di biogas all'anno, funziona da 3 a 8 mesi all'anno e costa circa $ 200-250, a seconda della provincia. La maggior parte degli impianti è molto semplice e dopo un po' di formazione gli agricoltori costruiscono e gestiscono gli impianti stessi. Dal 2002, il governo cinese ha stanziato circa 200 milioni di dollari all'anno per sostenere la costruzione di impianti di biogas. Il contributo per ogni installazione è pari a circa il 50% del costo medio. Pertanto, il governo ha ottenuto un aumento annuo del numero di impianti di biogas a 1 milione all'anno. Diverse migliaia di installazioni di medie e grandi dimensioni operano su base industriale in Cina e si prevede di aumentarne il numero. In India, lo sviluppo di semplici impianti di biogas per le fattorie rurali è iniziato negli anni '50. Ad oggi, in India sono operativi circa 3,7 milioni di impianti di biogas. Il Ministero delle fonti energetiche non convenzionali dell'India ha implementato impianti di biogas dagli anni '1980 e ha fornito sussidi e finanziamenti per la costruzione e il funzionamento di impianti di biogas, la formazione degli agricoltori e l'apertura e il funzionamento di centri di servizio. La gassificazione e la produzione di energia termica da impianti di biogas è un'industria in crescita in molti paesi in via di sviluppo. Nelle Filippine, gli impianti di biogas producono gas per alimentare i motori che macinano il riso e gestiscono l'irrigazione dagli anni '1980. L'utilizzo del biogas da parte di piccole aziende commerciali in India, Indonesia, Sri Lanka (ad esempio nell'industria tessile o per l'essiccazione di spezie, mattoni, gomma) ha dato i suoi frutti in meno di una stagione. URSS, CSI e Kirghizistan In URSS, le basi scientifiche della fermentazione del metano sono state studiate dagli anni '40. Per tutta l'esistenza dell'URSS, gli istituti del sistema dell'Accademia delle scienze hanno partecipato alla ricerca teorica e la ricerca applicata è stata svolta presso l'Accademia dei servizi pubblici. Panfilov e istituti di ricerca e progettazione agricola, come: l'All-Union Institute of Electrification of Agriculture (VIESH), l'ucraino Research and Design Institute of the Agro-Industrial Complex (UkrNIIgiproselkhoz) e altri. Il centro principale per lo sviluppo di progetti per impianti di biogas domestici (così come altre macchine per la lavorazione dei rifiuti agricoli) era l'Istituto di progettazione e tecnologia agricola di Zaporozhye (KTISM). I dati raccolti dagli scienziati hanno costituito la base per la creazione di diverse installazioni di laboratorio e pilota, tuttavia, solo un progetto, KOBOS-1, è stato autorizzato ai test di accettazione statali. L'unità KOBOS-1 è stata testata con successo sulla base di un laboratorio-caseificio sperimentale e approvata per la produzione in serie presso uno stabilimento nella città di Shumikha, nella regione di Kurgan (Urali settentrionali). È stato costruito secondo il programma per padroneggiare la tecnologia del trattamento anaerobico dei rifiuti come variante di impianti seriali per allevamenti di medie dimensioni: allevamenti da latte per 400 vacche da latte o allevamenti di suini di medie dimensioni per 4000 suini. L'impianto ha prodotto 10 set di attrezzature, ma dopo il crollo dell'URSS i finanziamenti sono cessati. Delle 10 unità prodotte, tre sono state distribuite in Ucraina e Bielorussia, cinque sono state inviate in Asia centrale (due delle quali sono state inviate in Kirghizistan) e due sono state inviate in Russia. Ma solo 1 di loro è stato introdotto - in un allevamento di bestiame nel distretto di Kamenetsky nella regione di Brest in Bielorussia. L'impianto lavora 50 m3. letame e produce 400...500 m3 di biogas al giorno.
Uno degli impianti giunti in Kirghizistan è stato riattrezzato dal Fluid PF dell'Associazione degli agricoltori e installato sulla base dell'allevamento di suini BEKPR OsOO per 4000 capi, nel villaggio di Lebedinovka, nella regione di Chui nel 2003, l'altro è utilizzato come raccoglitore d'acqua nel settore privato della regione di Osh. Autori: Vedenev A.G., Vedeneva T.A.
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