XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ЗЕЛЕНАЯ ЭНЕРГЕТИКА. БИОГАЗ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Басков Ф.С. 1

---

1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 69 г. Екатеринбурга

Голенцева О.В. 1

---

1МАОУ СОШ № 69 г. Екатеринбурга

Работа в формате PDF

1.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Россия-наша с вами Родина! Россия одна из самых богатых стран мира по количеству природных запасов традиционных источников энергии. Мы все хорошо знаем их. Это нефть, газ, уголь.

Мы с семьей решили узнать, на сколько лет хватит этих природных запасов нашей стране. Мы все были очень удивлены этими цифрами. Запасов нефти хватит примерно на 40 лет, газа на 50 лет, угля примерно на 100 лет. Так же, мы прочли, что новые богатые месторождения за последние годы не найдены. Новые месторождения труднодоступны, и их разработка и добыча наносят ущерб окружающей среде.

Когда мы увидели эти цифры и посчитали, на сколько поколений нашей семьи хватит природных запасов, мы осознали, что просто необходимо искать новые решения, которые сможет контролировать человек.

Мой дедушка рассказал мне, что в России бы создан Федеральный центр развития биоэнергетики по поручению Президента Российской Федерации в 2008 году. В нескольких регионах некоторые предприятия уже внедрили биогазовые установки разной мощности. Но чтобы активнее переходить на новый уровень зеленой энергетики, нужно больше финансирования и времени. Но времени, как показывают цифры, не так уж и много.

Поэтому, наша команда решила изучить и доказать, что поиск и внедрение в жизнь общества новых источников энергии жизненно необходим и вполне доступен.

Цель исследования: реализация способа получения биогаза из органических отходов доступным путем.

Гипотеза: Биогаз можно получить самостоятельно, в домашних условиях и доступным путем.

Далее, в ходе подтверждения данной гипотезы, за нашими скромными, казалось бы, предположениями, четко нарисовалась еще одна, очень важная гипотеза:

Переработка пищевых органических отходов приведет к уменьшению скопления мусора на планете. Ведь, ни для кого не секрет, что при утилизации органических отходов, данные отходы сегодня попадают в реки, загрязняя источники питьевой воды. Значит развивая тему Биогаза, мы решим сразу две проблемы. Получение новой доступной энергии и забота об экологии.

Задачи исследования:

1. Найти и изучить информацию о том, что такое биогаз.

2. Найти и изучить информацию о том, как собрать биогазовую установку своими руками.

3. Изучить теоретическую часть вопроса.

4. Осуществить практическую часть проекта. Собрать биогазовую установку и получить с ее помощью биогаз в домашних условиях.

5. Сформулировать вывод: действительно ли так доступно получение альтернативного источника энергии. Будет ли происходить в результате переработки органических отходов сбережение экологии нашей планеты.

Актуальность темы.

Получение энергии из биогаза позволит человечеству меньше зависеть от природных источников энергии. Эти новые способы человек сам сможет контролировать и находить все больше пользы от их применения. Кроме того, производство биогаза поможет решить вопрос с отходами деятельности человека и животных, поможет получать экологически чистые биоудобрения. Внедрение Биогаза в жизнь людей и предприятий сделает процесс переработки замкнутым, то есть возобновляемым. Каждый шаг, каждый этап использования Биогаза будет приносить пользу современному обществу. Особую важность эта тема имеет для России, так как взрослые люди привыкли полагаться на запасы природных источников, при этом упуская вероятность оставить своих потомков без достаточных запасов энергии и топлива, необходимого для развития нашей страны.

Объект исследования. Объектом моего внимания в этой глобально важной теме стала идея получения новых, альтернативных и возобновляемых источников энергии и возможности создания БИОГАЗА из органических отходов.

Предмет исследования. Образование биогаза в результате процесса разложения органических отходов.

Методы исследования: моделирование реальной работающей биогазовой установки малой мощности, наблюдение за результатами ее работы, проведение эксперимента в получении биогаза при определенных заданных условиях.

Теоретическая часть.

1. 1. История возникновения. Применение в других странах.

Человечество научилось использовать биогаз давно. В 1 тысячелетии до н. э. на территории современной Германии уже существовали примитивные биогазовые установки. Алеманам, населявшим заболоченные земли бассейна Эльбы, 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. Алеманы додумались шить из кожи тенты, накрывать ими болото, отводить газ по кожаным же трубам к своему жилищу и сжигать его для приготовления пищи. Оно и понятно, ведь сухие дрова найти было трудно, а болотный газ (биогаз) отлично решал эту проблему.

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.

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 2009 года было создано 200 тысяч малых биогазовых установок.

1. 2. Что же такое Биогаз.

Наверное, не каждый знает, что самые обычные органические отходы любого подворья-навоз животных, огородная ботва, сорняки и остатки от пищевой органики с нашего стола, в определенных условиях могут стать источником столь необходимого в домашнем хозяйстве горючего газа, который сгодится и для приготовления пищи, и для отопления помещения, и для получения горячей воды.

Что такое биогаз и почему этот вид возобновляемого топлива вызывает такой интерес не только у энергетиков, а его производство в мире так активно развивается?

Вернемся к истории. Процессы разложения органических отходов с получением горючего газа и его использованием в быту известны давно: в Китае их история насчитывает 5 тыс. лет, в Индии - 2 тыс. лет. Природа биологического процесса разложения органических веществ с образованием метана за прошедшие тысячелетия не изменилась.

Но современные наука и техника создали оборудование и системы, позволяющие сделать эти «древние» технологии рентабельными и применяемыми не только в странах с теплым климатом, но и в странах с суровым континентальным климатом, например, в России.

Биогаз, это газ, получаемый водородным и метановым брожением биомассы. Метановое разложение биомассы происходит под воздействием бактерий. В цепочке питания бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих.

Итак, биогаз - это смесь газов. Его основные компоненты: метан (50-70%) и углекислый газ (28-43%), а также, в очень малых количествах другие газы. Состав и количество биогаза не являются постоянными и зависят от вида перерабатываемого субстрата и от технологии производства биогаза. Биогаз получается в результате анаэробной, то есть происходящей без доступа воздуха, ферментации органических веществ самого разного происхождения.

Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза: навоз, птичий помет, зерновой, фруктовый, ягодный и овощной жмых, отходы молокозаводов, отходы рыбного цеха, отходы переработки картофеля, рапса и многие другие варианты.

В данной работе рассмотрен вариант получения биогаза из пищевых органических отходов с использованием рандомных бактерий.

1. 3. Области применения Биогаза

Производство биогаза играет значительную роль не только для сохранения экологии, но и обеспечивает народное хозяйство топливом. Оно характеризуется обширной сферой применения:

- используется в качестве сырья для производства тепло- и электроэнергии, автомобильного топлива;

- для обеспечения энергетических потребностей небольших или средних предприятий, подсобных хозяйств, небольших ферм;

- биогазовые установки исполняют роль очистных сооружений, что позволяет решить проблему утилизации бытовых отходов.

Практическая часть проекта

После исследования теоретической части и изучения способов создания и видов биогазовых установок, мы загорелись идеей создания портативной биогазовой установки в домашних условиях, с помощью подручных средств и материалов.

Этап 1. Реализация практической части проекта началась со сбора пищевых органических отходов некоторое время. Затем, была создана биогазовая установка, как и планировалось, своими руками, в домашних условиях. Для биогазовой установки нам понадобилось:

• Две герметичные емкости по 20 литров каждая

• Трубки гибкие

• Хомут обжимной

• Манометр (измеряет давление)

• Термометр (измеряет температуру)

• Газовая горелка

Этап 2. Затем, после сбора установки, приступили к процессу получения биомассы – сырья для получения биогаза:

- накопленные органические отходы измельчили в блендере до мелкой фракции

- полученную массу смешали с водой

- добавили бактерии (выбранные в специализированном магазине без углубленного подбора, то есть рандомно).

Биогазовая установка состоит из биореактора и газгольдера. В биореактор мы загрузили полученную биомассу. Биореактор соединен гибкой трубкой с Газгольдером. В газгольдере будет происходить скопление газа. Так же в газгольдере находится вода для очистки газа.

Этап 3. Для получения биогаза в такой установке необходимо соблюдать условия:

- желательно несколько раз в сутки тщательно перемешивать биомассу, что повысит эффективность его переработки.

- установку необходимо поместить в теплое место и поддерживать температуру не ниже 38С

- необходимо выдержать время, необходимое для разложения биомассы – от 10 до 30 дней.

Этапы получения биогаза:

• В биореакторе выработался газ

• Создалось давление

• Газ по трубке поступил в накопитель-газгольдер

• Газ прошел очистку через воду

• По отводной трубке поступил в газовую горелку

Этап 4. Спустя неделю, мы ослабили зажим и поднесли зажигалку к газовой горелке. К сожалению, ничего не произошло. На данном этапе мы не получили Биогаз. Сделав вывод, что прошло слишком мало времени, продолжили свой опыт, соблюдая все необходимые условия. Через неделю повторив свою попытку, удалось зажечь горелку на очень короткий срок! Биогаз получен!

Вывод: При вводных данных нашего опыта, начало образования биогаза из биомассы приходится на 14 сутки, что говорит о невысокой скорости протекания процесса.

В процессе своего опыта мы пришли к выводу, что относительно практической части создания биогазовой установки и для изготовления биогаза в домашних условиях необходимо создать оптимальные условия для микроорганизмов, которые будут расщеплять биологическую массу. В первую очередь желательно организовать подогрев генератора, что повлечет за собой дополнительные расходы. Важно так же разбираться в том, какие бактерии работают эффективнее при различных условиях.

Заключение

Проведя работу над данным проектом, я достиг конечной цели – получение биогаза. Разобрался и понял, как работает биогазовая установка. Какие существуют важные моменты в практической части для достижения цели-получения биогаза. Основная гипотеза проекта подтвердилась: Биогаз можно получить самостоятельно, в домашних условиях и доступным путем. Пока я искал подтверждение этому, я обнаружил, что переработка пищевых органических отходов приведет к уменьшению скопления мусора на планете. Так же, я усвоил, что это не единственный способ получения биогаза. Для дальнейшего погружения в тему необходимо изучить варианты ускорения процессов разложения биомассы и варианты усовершенствования биоустановки.

Исходя из полученных результатов наша проектная команда может смело заявить:

Мы можем сами создавать и пользоваться новым источником энергии, при этом оберегая и сохраняя нашу Планету! Таким образом, Зелёная энергетика не только актуальная, но и доступная, посильная задача для молодого поколения!

Используемая литература:

1. Википедия.

2. Видео на YouTube: Зелёное настоящее: биогаз в Белгороде или шанс на экономику замкнутого цикла; Как работает биогазовая установка; Сколько биогаза выделяется из 200 литровой бочки.

3. Северилов П.В. Биогаз для чайников.

4. Осмонов О. «А у нас-биогаз», журнал Сделай сам (Огонек), 1995-2.

5. Презентация на тему: «Развитие рынка биоэнергетики в Российской Федерации». Доклад заместителя генерального директора ФГБУ «Российское энергетическое агентство» Басков В.Н., 2011 г.

6. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика. – М.: Колосс, 1982.

7. Василов Р.Г. Перспективы развития производства биотоплива в России. Сообщение 3: биогаз / Вестник биотехнологии и физико-химической биологии им. Ю.А.Овчинникова. – 2007.

8. Куджева, Е. К. Тенденция развития «Зеленой энергии» в Российской Федерации/Е. К. Куджева.

Приложение (фотоматериалы опыта)

Рис. 1. Накопление органических отходов Рис.2. Измельчение для получения биомассы

Рис. 3. Манометр, танометр

Рис.4. Слева-биореактор (в него помещается биомасса), справа газгольдер (в нем будет скапливаться газ)

Рис. 5 Соединение с газовой гарелкой.

Рис. 6. А у нас Биогаз!