Биогазоностность

Проект "АзовБиоТехГаз"
Азовская Научно - Исследовательская Станция
 

Современное существование в России и Украине невозможно представить без потребления природных ресурсов, таких как газ или нефть. Как показал опыт последних лет, стабильное и надёжное газоснабжение отдельных регионов часто зависит от политических и экономических недоразумений между поставщиком газа, транзитером и потребителем. В этой связи актуальной проблемой становится разработка собственных потенциальных запасов природного газа, даже если они имеют только местное значение.



Одним из таких источников является акватория Азовского моря. При достаточных инвестициях проект добычи природного газа в акватории Азовского моря может быть рентабельным. Добыча в этом регионе актуальна развитой инфраструктурой потребления газа (сеть газозаправочных станций и бытового потребления), что позволит получать прибыль без дополнительных издержек на транспортировку.


Биогаз используют в качестве топлива для производства: электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива.


Добыча газа в акватории Азовского моря основана на сборе метана, образуемого при биоразложении водорослей анаэробными бактериями (метаногенами).


Метаногены (Methanogens) — это археи, которые образуют метан как побочный продукт метаболизма в бескислородных условиях. Широко распространены в заболоченных территориях, где образуют метан (болотный газ) и в кишечниках жвачных млекопитающих и человека, и отвечают за метеоризм. В глубинах океанов биосинтез метана археями обычно пространственно располагается в местах выхода сульфатов. Некоторые являются экстремофилами, и обитают в горячих источниках и на больших глубинах, а также на скалах и на глубине многих километров в земной коре.

Археи (Archaea, старое название — архебактерии, Archaebacteria)— особый домен (по трёхдоменной системе Карла Вёзе наряду с эубактериями и эукариотами). Оценки учёных позволяют утверждать, что суммарная биомасса архей на планете (10(14) тонн) превышает посчитанную до этого биомассу всех остальных форм жизни— 2,4*10(12) тонн.


Археи — одноклеточные прокариоты, на молекулярном уровне заметно отличающиеся как от бактерий, так и от эукариотов. Отличия наблюдаются в компонентах синтеза белка, структуре клеточной стенки, биохимии (только среди архей есть метаногены) и устойчивости к факторам внешней среды (большая часть — экстремофилы).


Большая их часть — хемоавтотрофы. Среди архей по состоянию на 2003 год был известен лишь один паразитический организм — Nanoarchaeum equitans.


Метановые бактерии проявляют свою жизнедеятельность в пределах температуры 0-70 °С. Если температура выше они начинают гибнуть, за исключением нескольких штаммов, которые могут жить при температуре среды до 90 °С. При минусовой температуре они выживают, но прекращают свою жизнедеятельность. В литературе как нижнюю границу температуры обычно указывают 3-4 °С.

 

Археи

Археи широко распространены в окружающем мире, занимая, в том числе, и такие экологические ниши, которые недоступны другим живым организмам. В горячих источниках живут археи-термофилы, устойчивые к температурам +45..+113 °С; психрофилы способны к размножению при сравнительно низких температурах (-10… +15 °C); ацидофилы живут в кислотных средах (pH 1—5); алкалифилы, наоборот, предпочитают щелочи (pH 9—11). Барофилы выдерживают давление до 700 атмосфер, галофилы живут в соляных растворах с содержанием NaCl 25—30 %. Ксерофилы выживают при минимальном уровне влаги.
 

Археи распространены в горных породах под морским дном до глубины 1000—1600 м (там обитают как гетеротрофные виды, для которых, возможно, источником углерода служат углеводороды, так и хемоавтотрофные метаноокисляющие археи). По имеющимся оценкам, их биомасса значительно выше, чем биомасса всех организмов океанического планктона и нектона.



Технология АНИС
 

Разрабатываемые АНИС технологии добычи природного газа позволяют получать налоговые льготы при коммерческой деятельности, так как такая деятельность попадает под юрисдикцию статей закона Украины регламентирующего использование экологически чистых технологий.
 

Сравнение разрабатываемой технологии с существующими технологиями получения природного газа позволяет сделать вывод об экономической и этической целесообразности. Например, известный метод получения биогаза в метантенках из растительных остатков сельского хозяйства начинает приносить существенную прибыль только при использовании сельскохозяйственных плодородных земель исключительно для выращивания подходящих растительных культур, что исключает использование таких земельных участков для выращивания растительных продуктов питания.

Выделение газа зимой подо льдом в Таганрогском заливе.

Биогаз — газ, получаемый метановым брожением биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид — бактерии гидролизные, второй — кислотообразующие, третий — метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида.
 

Существуют промышленные и кустарные установки. Промышленные установки отличаются от кустарных наличием механизации, систем подогрева, гомогенизации, автоматики. Наиболее распространённый промышленный метод — анаэробное сбраживание в метантенках.

Метантенк биогазовой установки

Хорошая биогазовая установка должна иметь необходимые части:

        • Емкость гомогенизации
        • Загрузчик твердого (жидкого) сырья
        • Реактор
        • Мешалки
        • Газгольдер
        • Система смешивания воды и отопления
        • Газовая система
        • Насосная станция
        • Сепаратор
        • Приборы контроля
        • КИПиА с визуализацией



Биогаз обычно содержит: 50—87 % метана, 13—50 % CO2, незначительные примеси H2 и H2S. После очистки биогаза от СО2 получается биометан. Биометан — полный аналог природного газа, отличие только в происхождении. Поскольку только метан поставляет энергию из биогаза, целесообразно, для описания качества газа, выхода газа и количества газа все относить к метану, с его нормируемыми показателями.



Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании — биогаз занимает до 18 % в её общем энергобалансе. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия — 8000 тыс. шт. В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом. В Индии, Вьетнаме, Непале и других странах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи. Больше всего малых биогазовых установок находится в Китае — более 10 млн (на конец 1990-х). Они производят около 7 млрд м³ биогаза в год, что обеспечивает топливом примерно 60 млн крестьян. В конце 2006 года в Китае действовало уже около 18 млн биогазовых установок. Их применение позволяет заменить 10,9 млн тонн условного топлива. В Индии с 1981 года до 2006 года было установлено 3,8 млн малых биогазовых установок. В Непале существует программа поддержки развития биогазовой энергетики, благодаря которой в сельской местности к концу 2006 года было создано более 100 тысяч малых биогазовых установок. Автомобильные компании Volvo и Scania производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно используются в городах Швейцарии: Берн, Базель, Женева, Люцерн и Лозанна. По прогнозам Швейцарской Ассоциации Газовой Индустрии к 2010 году 10 % автотранспорта Швейцарии будет работать на биогазе. Муниципалитет Осло в начале 2009 года перевёл на биогаз 80 городских автобусов. Стоимость биогаза составляет €0,4 — €0,5 Евро за литр в бензиновом эквиваленте. При успешном завершении испытаний на биогаз будут переведены 400 автобусов.

 

Схема производства биогаза на ферме

Свалочный газ — одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов. Известный в некоторых странах сбор биогаза на мусорных захоронениях затруднён в Украине и России из-за отсутствия соответствующей культуры захоронения, должного законодательства, соответствующего оборудования и персонала.
 

Человечество познакомилось с биогазом давно. Населению заболоченных земель чудились Драконы в корягах на болоте. Они полагали, что горючий газ, скапливающийся в ямах на болотах — это дыхание Дракона. Чтобы задобрить Дракона, в болото бросали жертвоприношения и остатки пищи. Люди верили, что Дракон приходит ночью и его дыхание остаётся в ямах.
 

В XVII веке Ян Баптист Ван Гельмонт обнаружил, что разлагающаяся биомасса выделяет воспламеняющиеся газы. Алессандро Вольта в 1776 году пришёл к выводу о существовании зависимости между количеством разлагающейся биомассы и количеством выделяемого газа. В 1808 году сэр Хэмфри Дэви обнаружил метан в биогазе.
 

Первая задокументированная биогазовая установка была построена в Бомбее, Индия в 1859 году. В 1895 году биогаз применялся в Великобритании для уличного освещения. В 1930 году, с развитием микробиологии, были обнаружены бактерии, участвующие в процессе производства биогаза.
 

Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО2, и находится в атмосфере 12 лет. Захват метана — лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления.
 

Мощность только современных илистых отложений в акватории Азовского моря часто превышает 5-6 м. В целом по бассейну содержание Сорг в осадках колеблется от 0.5 до 2.8 %. В этом отношении Азовское море существенно отличается от Чёрного, где высокие концентрации Сорг характерны не только для осадков глубоководной котловины, но и для некоторых участков шельфа (например, в северо-западной части Чёрного моря).

Автобус, работающий на биогазе, Берн, Швейцария

Планктон — разнородные, в основном мелкие организмы, свободно дрейфующие в толще воды и не способные — в отличие от нектона — сопротивляться течению. Такими организмами могут быть бактерии, диатомовые и некоторые другие водоросли (фитопланктон), простейшие, некоторые кишечнополостные, моллюски, ракообразные, яйца и личинки рыб, личинки различных беспозвоночных животных (зоопланктон). Планктон непосредственно или через промежуточные звенья пищевой цепи является пищей для большинства остальных водных животных. Фитопланктон — часть планктона, которая может производить процесс фотосинтеза. К фитопланктону относятся протококковые водоросли, диатомовые водоросли, цианобактерии. Обитает в фотической зоне водоёма. Фитопланктон является первичными продуцентом органического вещества в водоёме и служит пищей для зоопланктона.
 

В зависимости от образа жизни планктон подразделяется на:


        • голопланктон — весь жизненный цикл проводит в форме планктона
        • меропланктон — существующие в виде планктона лишь часть жизни, например, морские черви, рыбы.


Планктон составляют многие бактерии, диатомовые и некоторые другие водоросли (фитопланктон), простейшие, некоторые кишечнополостные, моллюски, ракообразные, оболочники, яйца и личинки рыб, личинки многих беспозвоночных животных (зоопланктон). Планктон непосредственно или через промежуточные звенья пищевых цепей служит пищей остальным животным, обитающим в водоемах (кроме фитопланктона, первым звеном пищевых цепей могут быть и бентосные макрофиты и микроводоросли). Планктон представляет собой массу растений и животных, большинство из которых имеют микроскопические размеры. Многие из них способны к самостоятельному активному передвижению, однако недостаточно хорошо плавают для того, чтобы противостоять течениям, поэтому планктонные организмы передвигаются вместе с водными массами. Планктонные организмы встречаются на любой глубине, но наиболее богаты ими приповерхностные, хорошо освещенные слои воды, где они образуют плавучие «кормовые угодья» для более крупных животных. Растительные фотосинтезирующие планктонные организмы нуждаются в солнечном свете и населяют поверхностные воды, в основном до глубины 50—100 м — так называемый эвфотический слой. Бактерии и зоопланктон населяют всю толщу вод до максимальных глубин. Морской фитопланктон состоит в основном из диатомовых водорослей, перидиней и кокколитофорид; в пресных водах — из диатомовых, сине-зелёных и некоторых групп зелёных водорослей. В пресноводном зоопланктоне наиболее многочисленны веслоногие и ветвистоусые рачки и коловратки; в морском доминируют ракообразные (главным образом веслоногие, а также мизиды, эвфаузиевые, креветки и др.), многочисленны простейшие (радиолярии, фораминиферы, инфузории тинтинниды), кишечнополостные (медузы, сифонофоры, гребневики), крылоногие моллюски, оболочники (аппендикулярии, сальпы, бочёночники, пиросомы), яйца и личинки рыб, личинки разных беспозвоночных, в том числе многих донных. Видовое разнообразие планктона наибольшее в тропических водах океана.


        Существует несколько классификаций планктона в зависимости от его размера. Наиболее общепринятой является следующая:


        • мегапланктон (0,2—2 м)
        • макропланктон (0,02—0,20 м) — многие мизиды, креветки, медузы и другие относительно крупные животные
        • мезопланктон (0,0002—0,02 м) — веслоногие и ветвистоусые рачки и др. животные менее 2 см
        • микропланктон (20-200 мкм) — большинство водорослей, простейшие, коловратки, многие личинки
        • нанопланктон (2-20 мкм)— мелкие одноклеточные водоросли, некоторые крупные бактерии
        • пикопланктон (0,2-2 мкм) — бактерии, наиболее мелкие одноклеточные водоросли.
        • фемтопланктон (<0,2 мкм) — океанические вирусы.


По современным данным, наибольшую продукцию в океанических водах обеспечивает пикопланктон. Недавно открытые в его составе эукариотические водоросли (например, празинофитовые рода Osteococcus) - мельчайшие из эукариот.

Зоопланктон является наиболее многочисленной группой гидробионтов, имеющих огромное экологическое и хозяйственное значение. Он потребляет формирующееся в водоемах и приносящееся извне органическое вещество, ответственен за самоочищение водоемов и водотоков, составляет основу питания большинства видов рыб, наконец, планктон служит прекрасным индикатором для оценки качества воды.


Исследования зоопланктонных организмов помогают определить загрязненность водоемов и определить экологическое особенности определенной области. Любая водная экосистема, находясь в равновесии с факторами внешней среды, имеет сложную систему подвижных биологических связей, которые нарушаются под воздействием антропогенных факторов. Прежде всего, влияние антропогенных факторов, и в частности, загрязнения отражается на видовом составе водных сообществ и соотношении численности слагающих их видов.


Бурное размножение фитопланктона вызывает «цветение воды», которое ежегодно наблюдается на Азовском море и которое является основным поставщиком органического вещества в донные осадки, в некоторые годы вся вода в мелководных и хорошо прогретых заливах представляет собой сплошную зеленую, киселеобразную массу! В Азовском море сказывается особенность процесса захоронения органического вещества (прежде всего планктогенного): мелководность, интенсивное перемешивание его вод, особый кислородный режим, хорошая прогретость вод, большая масса терригенного материала – все это приводит к быстрому разложению, в первую очередь, планктогенного органического вещества. Поэтому, несмотря на чрезвычайную биопродуктивность (на единицу площади – одна из самых высоких из известных Мировых водоемов), лишь небольшая часть органического вещества долговременно захороняется в осадках. Следовательно, осадки таких мелководных бассейнов вряд ли могут быть благоприятной средой для накопления органического вещества и преобразования его в нефтяные углеводороды, но, с другой стороны, Азовское море представляет собой один гигантский природный метановый генератор (грандиозный естественный метантенк!). По экспертным оценкам вся акватория Азовского моря может выделять более 100 млрд. м3 метана в год, что превышает годовое потребление природного газа всей Украины!


Даже если принять среднее содержание органического вещества в иле за 2% не как остаточное, а принять его за начальное, то и тогда можно ожидать реального притока биометана около 30-50 м3/м2 в сезон (оценка рентабельности проекта дает значение притока более 10 м3/м2 в сезон, когда экономически оправдана добыча биометана). Еще более захватывающие перспективы открываются при использование залежей сапропелей, вероятность обнаружения которых на Азовском море очень велика благодаря наличию множества мелководных заливов и лиманов.


Сапропель — илистые отложения водоёмов, содержащие большое количество органических веществ (лигнино-гумусовый комплекс, углеводы, битумы и др.) в коллоидном состоянии.

 

Водоросли (лат. Algae) — гетерогенная экологическая группа преимущественно фототрофных одноклеточных, колониальных или многоклеточных организмов, обитающих, как правило, в водной среде, в систематическом отношении представляющая собой совокупность многих отделов.

Снимок из космоса. Пример «Цветение воды» у морских побережий

Остатки водорослей перегнивают на берегу или отлагаются в донном грунте.
 

Водоросли — главные производители органических веществ в водной среде. Около 80 % всех органических веществ, ежегодно создающихся на земле, приходится на долю водорослей и других водных растений. Водоросли прямо или косвенно служат источником пищи для всех водных животных. Известны горные породы (диатомиты, горючие сланцы, часть известняков), возникшие в результате жизнедеятельности водорослей в прошлые геологические эпохи. Водоросли участвуют в образовании лечебных грязей.
 

Из-за высокой скорости размножения водоросли нашли применение для получения биомассы на топливо.

Большое количество водорослей ежегодно выбрасывается на побережье Азовского моря.

Ил — тонкозернистая мягкая горная порода из смеси минеральных и органических веществ, отлагающаяся на дне водотоков и водоёмов.


Ил в естественных условиях находится в текучем состоянии, при высушивании приобретает свойства твёрдого тела. Содержит значительное количество очень мелких фракций: от 30 до 50 % частиц менее 0,01 мм.

 

На дне морей и континентальных водоёмов (озёр, прудов) распространены илы, состоящие из тонкозернистых продуктов разрушения горных пород (терригенный, глинистый, известковый) и из микроскопических раковин или скелетных остатков морских организмов (глобигериновый, диатомовый, радиоляриевый, птероподовый). Выделяют илы, обогащенные вулканическим пеплом (вулканический).
 

Иногда илы обогащены органическим веществом (сапропель), разложение которого вызывает сероводородное заражение или развитие гнилостных процессов (гнилой ил).
 

Ил является начальной стадией формирования связанных осадочных пород.
 

Ил используется в сельском хозяйстве как удобрение, или в компостных кучах.
 

Некоторые илы (озёрный, прудовый, лагунный) применяют как удобрение и для минеральной подкормки домашних животных, а также в медицине, для грязелечения.
 

Местами на побережье Азовского моря в тихих хорошо закрытых заливах илы скапливаются в больших количествах и наблюдаются не только вдали от берега на достаточных глубинах, как это происходит по всему акваторию моря, но подходят вплотную к берегу и иногда выходят даже на песчаные пляжи, превращая их из прекрасных мест отдыха в сплошные болота.
 

В этих местах биогаз можно собирать достаточно простыми приспособлениями непосредственно у берега.

Отбор и исследование донного ила на Северном побережье Азовского моря (АНИС)

Это настоящее «царство археев», где можно наблюдать их различные разновидности, которые мало уступают по красочности знаменитому Йеллоустоунскому заповеднику (США).

Слева небольшой куполообразный коллектор с газоотводной трубкой и небольшим газгольдером («кислородная подушка»), позволяющий отбирать пробы биогаза (до 30-40 л). Справа прямоугольный коллектор из синтетической пленки и полужесткого каркаса, позволяющий отбирать значительно большие объемы

Выход илов на поверхность в Белосарайском заливе вблизи п. Ялта (Украина)

На снимке, сделанном в одной из центральных провинций Китая, - «несуны» природного газа. Вот так некоторые местные крестьяне разносят по домам попутный газ из нефтяных месторождений. Дома он идет на отопление и приготовление пищи. Нефтяные компании ежегодно теряют на этом около двух с половиной миллионов долларов, вот сколько газа можно разнести небольшими газгольдерами.
 

Еще большие перспективы открываются, если использовать современные технологии компримирования или сжижения метана с последующей поставкой его потребителям, без строительства дорогостоящих газопроводов. Современное оборудование по компримированию и сжижению метана позволяет монтировать компактные и мобильные установки непосредственно на месте добычи газа.

Пятно цветных термофильных архебактерий (Национальный парк Йеллоустоун, США)

Наблюдается окрашивание илов различными микроорганизмами разными цветами от оранжево-красного и зеленого до фиолетово-черного (Азовское море, Белосарайский залив, Таранья бухта, Украина).

Розово-красное окрашивание

Желто-зеленое окрашивание

Черно-фиолетовое окрашивание

При этом на поверхности илов часто наблюдаются следы застывших пузырьков газа.

«Несуны» природного газа

Часто можно наблюдать и само выделение газа особенно при механическом воздействии на илы. Илы насыщены газом и выделяют его самопроизвольно или при внешнем незначительном воздействии на них.

В густом, вязком иле это кратерообразные отверстия, а в жидком иле хорошо видны и сами пузыри выделяющегося газа. Выделение газа наблюдается не только непосредственно из илов на поверхности, но и тогда когда они находятся и под достаточным слоем воды на дне залива.
 

Интенсивность выделения газа достаточно большая, так что вполне можно заполнить и небольшой газгольдер. Если сбор производится над достаточным слоем воды (более 0.5-1 м), собирается бесцветный прозрачный без запаха хорошо горючий газ.

АБТГ-Технология по сути принципиально не отличается от традиционной метантенковой, но позволяет ее существенно упростить:


1) исключить необходимость создания наиболее трудоемкого и дорогостоящего элемента метанового реактора – герметической вмещающей емкости;


2) исключить транспортировку и подготовку исходного сырья - сама установка монтируется в месте наличия готового сырья;


3) проводить естественную очистку полученного биогаза – получать практически чистый биометан.


Методы интенсификации производства биометана:

       

1) повышение температуры в реакторном пространстве;
 

2) активирующие добавки в реакторное пространство
 

3) естественная интенсификация из-за наличия большой массы терригенного материала, увеличивающего поверхность взаимодействия.




Возможные варианты утилизации полученного биометана:


        1) сжигание;
        2) использование газгольдеров;
        3) компримирование;
        4) сжижение;
        5) химическая переработка;
        6) генерирование электроэнергии.

Все перечисленное позволяет ожидать значительно более низкой себестоимости полученного биометана по АБТГ-проекту, по сравнению с традиционной метантенковой технологией*!


        *- традиционная метантенковая технология обеспечивает 20-40 € Евро за 1000 куб.м биометана при н.у.

 

Принципиальная схема сбора донного биогаза

 

Принципиальная схема сбора донного биогаза представлена на рисунке.

Принципиальная схема сбора донного биогаза

Рабочая модель газосборного агрегата



Агрегат состоит из металлического каркаса 3х3 м, который обтягивается газонепроницаемой оболочкой (газгольдерной тканью или пластиковой пленкой), в центральной части крепится газоотводная трубка.

Металлический каркас(3х3 м) (слева) и каркас с газонепроницаемой пленкой (справа)

Фильм "ГАЗ АЗОВА"

Для улучшения восприятия в фильме предусмотрены субтитры на русском языке. Для их активации нажмите в нижнем правом углу кнопку с двумя параллельными линиями внизу, а затем, в всплывающем окне из трёх кнопок, нажмите ВКЛЮЧИТЬ СУБТИТРЫ

ГАЗ АЗОВА часть 1

ГАЗ АЗОВА часть 2

ГАЗ АЗОВА часть 4

ГАЗ АЗОВА часть 3