Отдельные случаи использования примитивных биогазовых технологий были зафиксированы в Китае, Индии, Ассирии и Персии, начиная с XVII века до нашей эры. Однако систематические научные исследования биогаза начались только в XVIII веке нашей эры, спустя почти 3,5 тысячи лет.
Рис.3. Простейшая китайская установка
Источник: Ю. Калмыкова, А. Герман, В. Жирков
«Проект Биогаз», Карагандинский Экологический Музей, 2005
В 1764 году Бенджамин Франклин в своем письме Джозефу Пристли описал эксперимент, в ходе которого он смог поджечь поверхность мелкого заболоченного озера в Нью Джерси, США.
Первое научное обоснование образования воспламеняющихся газов в болотах и озерных отложениях дал Александр Вольта в 1776 г., установив наличие метана в болотном газе. После открытия химической формулы метана Дальтоном в 1804 году, европейскими учеными были сделаны первые шаги в исследованиях практического применения биогаза23.
Свой вклад в изучение образования биогаза внесли и российские ученые. Влияние температуры на количество выделяемого газа изучил Попов в 1875 году. Он выяснил, что речные отложения начинают выделять биогаз при температуре около 6° С. С увеличением температуры до 50° С, количество выделяемого газа значительно увеличивалось, не меняясь по составу – 65% метана, 30% углекислого газа, 1% сероводорода и незначительное количество азота, кислорода, водорода и закиси углерода. В.Л. Омельянский детально исследовал природу анаэробного брожения и участвующие в нем бактерии19.
Вскоре после этого, в 1881 году, начались опыты европейских ученых по использованию биогаза для обогрева помещений и освещения улиц. Начиная с 1895 года, уличные фонари в одном из районов города Эксетер снабжались газом, который получался в результате брожения сточных вод и собирался в закрытые емкости23. Двумя годами позже появилось сообщение о получении биогаза в Бомбее, где газ собирался в коллектор и использовался в качестве моторного топлива в различных двигателях.
В начале XX века были продолжены исследования в области повышения количества биогаза путем увеличения температуры брожения. Немецкие ученые Имхофф и Бланк в 1914-1921 гг. запатентовали ряд нововведений, которые заключались во введении постоянного подогрева емкостей. В период Первой Мировой Войны началось распространение биогазовых установок по Европе, связанное с дефицитом топлива. Хозяйства, где имелись такие установки, находились в более благоприятных условиях, хотя установки были еще несовершенные и в них использовались далеко не оптимальные режимы.
Одним из важнейших научных шагов в истории развития биогазовых технологий являются успешные эксперименты Бусвелла по комбинированию различных видов органических отходов с навозом в качестве сырья в 30-х годах XX столетия23.
Первый крупномасштабный завод по производству биогаза был построен в 1911 году в английском городе Бирмингеме и использовался для обеззараживания осадка сточных вод этого города. Вырабатываемый биогаз использовался для производства электроэнергии. Таким образом, английские ученые являются пионерами практического применения новой технологии. Уже к 1920 году они разработали несколько типов установок для переработки сточных вод. Первая биогазовая установка для переработки твердых отходов объемом 10 м3 была разработана Исманом и Дюселье и построена в Алжире в 1938 году19.
В годы Второй Мировой Войны, когда энергоносителей катастрофически не хватало, в Германии и Франции был сделан акцент на получение биогаза из отходов сельскохозяйственного производства, главным образом, навоза животных. Во Франции к середине 40-х годов эксплуатировалось около 2 тыс. биогазовых установок для переработки навоза. Вполне естественно, этот опыт распространялся на соседние страны. В Венгрии существовали фабрики для производства биогаза. Это отмечают солдаты Советской Армии, в основном, выходцы из сельских районов СССР, освобождавшие Венгрию от немецких войск и удивлявшиеся, что в крестьянских хозяйствах навоз скота не лежал в кучах, а загружался в закрытые емкости, откуда получали горючий газ19.
Европейские установки довоенного периода не выдержали конкуренции в послевоенное время со стороны дешевых энергоносителей (жидкое топливо, природный газ, электроэнергия) и были демонтированы. Новым импульсом для их развития на новой основе стал энергетический кризис 70-х годов, когда началось стихийное внедрение биогазовых установок в странах юго-восточной Азии. Высокая плотность населения и интенсивное использование всех пригодных для возделывания сельскохозяйственных культур площадей земли, а также достаточно теплый климат, необходимый для использования биогазовых установок в самом простом варианте без искусственного подогрева сырья легли в основу различных национальных и международных программ по внедрению биогазовых технологий.
Сегодня биогазовые технологии стали стандартом очистки сточных вод и переработки сельскохозяйственных и твердых отходов и используются в большинстве стран мира.
Развитые страны
Рис.4. Индустриальная биогазовая
установка в Дании
Источник: «Biomass Energy Systems»,
ACRE, the Australian CRS for Renewable Energy Ltd,
http://wwwphys.murdoch.edu.au/acre/.
В большинстве развитых стран переработка органических отходов в биогазовых установках чаще используется для производства теплоэнергии и электричества. Производимая таким образом энергия составляет около 3-4% всей потребляемой энергии в европейских странах. В Финляндии, Швеции и Австрии, которые поощряют использование энергии биомассы на государственном уровне, доля энергии биомассы достигает 15-20% от всей потребляемой энергии24.
Использование электроэнергии и тепла, производимого с помощью анаэробной переработки биомассы в Европе сосредоточено, в основном, в Австрии, Финляндии, Германии, Дании и Великобритании. В Германии на настоящий момент насчитывается около 2000 больших установок анаэробного сбраживания. Количество биогазовых установок с объемами реакторов более 2000 м3 каждая в Австрии составляет в настоящее время более 120, около 25 установок находятся в стадии планирования и постройки7.
Высокая степень развития рынка биогазовых технологий может быть найдена в сферах муниципальной утилизации сточных вод, очистке индустриальных сточных вод и утилизации сельскохозяйственных отходов. В Швеции, энергия биомассы предоставляет 50% необходимой тепловой энергии. В Англии, на родине первого промышленного биогазового реактора, с помощью биогаза еще в 1990 г. удалось покрыть все энергозатраты в сельском хозяйстве. В Лондоне действует один из крупнейших в мире комплексов по переработке бытовых сточных вод.
В 30-е годы опыт Европы был перенесен в США. Биогазовая установка по переработке животноводческих отходов была построена в 1939 году и успешно работала в течение более, чем 30 лет. В 1954 г. Был построен первый завод по переработке коммунальных отходов с получением биогаза в Форт-Додже, Штат Айова, США. Биогаз подавался на двигатель внутреннего сгорания для выработки электроэнергии при мощности электрогенератора 175 кВт. Сейчас, в США насчитывается несколько сотен крупных биогазовых установок, перерабатывающих отходы животноводства и тысячи установок, утилизирующих городские сточные воды19. Биогаз используется, в основном, для получения электричества, отопления домов и теплиц.
Увеличивающиеся выбросы парниковых газов, увеличение потребления воды и ее загрязнения, снижающееся плодородие земель, неэффективная утилизация отходов и растущие проблемы с обезлесиванием являются частями неустойчивой системы использования природных ресурсов по всему миру. Биогазовые технологии являются одним из важных компонентов в цепи мер по борьбе с вышеуказанными проблемами. Прогноз роста вклада биомассы как источника возобновляемой энергии в мире предполагает достижение 23,8% от общего потребления энергии к 2040 году, а к 2010 страны ЕС планируют увеличить этот вклад до 12%.
Развивающиеся страны
Рис.5. Баллонная установка
в Кот-д’Ивуаре
Источник: AT Information: Biogas,
GTZ (ISAT), Eshborn, Deutschland, 1996
Доля энергии, получаемой из биомассы в развивающихся странах, составляет около 30-40% от всей потребляемой энергии, а в некоторых станах (в основном, в Африке) достигает 90%24.
Среди развивающихся стран распространено производство энергии и тепла с помощью переработки отходов на небольших биогазовых установках. Около 16 миллионов хозяйств по всему миру используют энергию для освещения, обогрева и приготовления пищи, производимую в биогазовых установках. Это включает 12 миллионов хозяйств в Китае, 3,7 миллионов хозяйств в Индии и 140 тысяч хозяйств в Непале25.
История современного широкомасштабного использования биогазовых установок в Китае насчитывает более 50 лет. Первые биогазовые установки были построены в 40-х годах XX века зажиточными семьями. С начала 70-х годов исследовательская работа и биогазовые технологии были серьезно поддержаны правительством Китая.
В сельских районах Китая в настоящее время более 50 миллионов человек пользуются биогазом в качестве топлива. Типичная биогазовая установка имеет объем реактора около 6-8 м3, производит 300 м3 биогаза в год, работая ежегодно от 3 до 8 месяцев, и стоит около $200–250, в зависимости от провинции. Большинство установок очень просты и после определенного обучения фермеры строят и эксплуатируют установки самостоятельно. С 2002 года правительство Китая выделяет ежегодно около 200 миллионов долларов на поддержку строительства биогазовых установок. Дотация на каждую установку равняется примерно 50% средней стоимости. Таким образом, правительство добилось годового роста количества биогазовых установок до 1 миллиона в год24. На индустриальной основе в Китае работают несколько тысяч средних и крупных установок и планируется увеличение их количества.
В Индии, развитие простых биогазовых установок для сельских усадьб началось в 50-х годах XX века, хотя еще в 1859 году в Бомбее была построена первая биогазовая установка на базе колонии больных проказой для переработки твердых и жидких отходов19.
Большое увеличение числа биогазовых установок, обеспеченное правительственной поддержкой, наблюдалось в 70-х годах. На сегодняшний день, в Индии работает около 3,7 миллионов биогазовых установок. Министерство нетрадиционных источников энергии Индии занималось внедрением биогазовых установок с 1980 годов и предоставляло субсидии и финансирование для строительства и эксплуатации биогазовых установок, обучение фермеров, открытие и работу сервисных центров.
В Непале, Программа Поддержки Биогазовых Технологий предоставляет техническую экспертизу, финансирование и строительство биогазовых установок для хозяйств с объемом реакторов 4-20 м3, особо популярны установки объемом 6 м3. Кроме предоставления энергии и удобрений, в Непале было замечено уменьшение тяжести женского труда путем сокращения времени на сбор дров, годовые сбережения от замены 25 литров керосина на хозяйство биогазом и годовые сбережения от замены 3 тонн дров и угля.
Во время реализации программы, возникло и развилось 60 частных фирм-производителей установок, около 100 организаций микро-финансирования предоставляли средства на строительство установок, были приняты стандарты качества установок и создана постоянная организация по развитию рынка биогазовых технологий24.
Газификация и производство тепловой энергии на биогазовых установках является растущей отраслью во многих развивающихся странах. На Филиппинах, биогазовые установки производят газ для работы моторов, которые мелят рис и работают на ирригацию с 1980 годов. Использование биогаза маленькими коммерческими компаниями в Индии, Индонезии, Шри-Ланке (например, в текстильной индустрии или для просушки специй, кирпичей, резины) окупалось менее чем за сезон.
Использование биогазовых технологий для утилизации сточных вод широко используется в Азии (особенно в Индии) и Латинской Америке. Сельскохозяйственные биогазовые установки широко внедряются в развивающихся странах и распространяются для производства энергии, удобрений и решении экологических проблем, связанных с загрязнением вод навозными стоками.
СССР, СНГ и Кыргызстан
В СССР научные основы метанового брожения исследовались, начиная с 40-х годов XX века. На протяжении существования СССР, в теоретических исследованиях участвовали институты системы Академии Наук, а прикладные исследования проводились в Академии коммунального хозяйства им. Памфилова и исследовательских и проектных институтах сельскохозяйственного направления, таких как: Всесоюзный институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ), Украинский научно-исследовательский и проектный институт агропромышленного комплекса (УкрНИИгипросельхоз), и других19.
Применение технологии метанового сбраживания к сельскохозяйственным отходам в СССР были начато Г.Д.Ананиашвили в 1948 г в Тбилисском филиале ВИЭСХ, впоследствии ГрузНИИМЭСХ (ГИМЭ). Там в 1948…1954 гг. была разработана и построена первая в СССР лабораторная и производственная биоэнергетическая установка. Производственный вариант установки был рассчитан на утилизацию навоза от 10 коров. Переработка проводилась при мезофильном режиме (32…34 град. С). Установка обеспечивала удельный выход биогаза 1 м3. газа с 1 м3. реактора. На основе этого опыта в популярной литературе («Юный техник», 1959 г. № 6) появилось одно из первых сообщений, популяризирующий биогазовую технологию с рекомендациями по ее реализации в условиях частного хозяйства. Однако технология не получила широкого распространения вследствие дешевизны энергоресурсов и отсутствия крупных животноводческих хозяйств.
В середине 70-х годов, с наступлением мирового энергетического кризиса, руководство СССР решило проводить в стране политику энергосбережения. Кроме того, в сельском хозяйстве стали применяться интенсивные технологии, было создано много крупных животноводческих комплексов, которые столкнулись с проблемой утилизации навозных стоков. В этой связи, интерес к биогазовым технологиям возрос и в 1981 г. при Госкомитете по науке и техники СССР была создана специализированная секция по программе развития биогазовой отрасли промышленности. Предложения по развитию технологии микробиологической анаэробной технологии вошли в директивные документы СССР, но не были обеспечены надлежащими денежными и материальными ресурсами, многие из намечавшихся мероприятий по освоению технологии анаэробной переработки биомассы остались не выполненными.
Несмотря на это, нельзя назвать период с 70-х по начало 90-х годов безрезультатным. За это время была создана научная основа технологий микробиологической анаэробной переработки биомассы. Было построено несколько опытных установок, одна из которых – в совхозе «Огре» Латвийской ССР (1982 г., 75 м3). Это были установки опытного характера, на которых отрабатывался процесс переработки биомассы19.
Крупнейшим центром по разработке конструкций отечественных биогазовых установок (а также прочих машин для переработки отходов аграрного производства) был Запорожский конструкторско-технологический институт сельскохозяйственного машиностроения (КТИСМ). Собранные учеными данные легли в основу создания нескольких лабораторных и опытных установок, однако до государственных приемочных испытаний была допущена только одна конструкция КТИСМ – КОБОС-1.
Установка КОБОС-1 была успешно испытана на базе опытной молочной фермы-лаборатории и одобрена для серийного выпуска на заводе в г. Шумихе Курганской области (Северный Урал). Она строилась по программе освоения технологии анаэробной переработки отходов как вариант серийных установок для животноводческих хозяйств средней величины – молочно-товарных ферм на 400 голов молочных коров или некрупных свиноводческих хозяйств на 4000 свиней.
Рис.6. Установка в ОсОО «БЕКПР»
Фото: Веденев А.Г., ОФ «Флюид»
Завод выпустил 10 комплектов оборудования, однако после распада СССР финансирование прекратилось. Из 10 выпущенных установок три были распределены на Украине и в Белоруссии, пять – были отправлены в Среднюю Азию (две из которых – в Кыргызстан), две – в Россию. Но внедрена была только 1 из них – на ферме крупного рогатого скота в Каменецком районе Брестской области Белоруссии. Установка перерабатывает 50 м3. навоза и производит 400…500 м3 биогаза в сутки.
Одна из попавших в Кыргызстан установок была переоборудована ОФ «Флюид» Ассоциации «Фермер» и установлена на базе свинокомплекса ОсОО «БЕКПР» на 4000 голов, в селе Лебединовка Чуйской области в 2003 году, другая используется в качестве водосборника в частном хозяйстве Ошской области.
В настоящее время в странах СНГ возрос интерес к получению энергии и биоудобрений путем переработки сельскохозяйственных отходов. Этому способствует высокая стоимость энергоресурсов и удобрений, а также ухудшающееся состояние окружающей среды. Однако из-за низкой информированности фермеров о практических путях внедрения биогазовых технологий, а также высокой начальной стоимости биогазовых установок, общее число биогазовых установок в странах СНГ не превышает нескольких сотен.
В ходе работы над справочным руководством специалисты ОФ «Флюид» провели обследование более 50 биогазовых установок, построенных во всех областях Кыргызской Республики. Анализ результатов обследования показал, что для успешной работы установок, в большинстве случаев, требуются серьезные конструктивные доработки, обеспечение доступа к сервисному обслуживанию, а также обучение фермеров правилам эксплуатации и соблюдению правил техники безопасности.