XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Получаем биогаз

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Потехина Д.А. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Прогимназия № 51» г. Белгорода

Андриянова Е.Н. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Прогимназия № 51» г. Белгорода

Работа в формате PDF

779.3 KB

Введение

Мы с папой часто бываем на озере в деревне и летом, и зимой. И вот однажды зимой, катаясь на коньках, я обратила внимание на небольшие белые пузырьки на льду. Я спросила у папы, что это? Он сделал тоненькое отверстие в одном пузырьке, поднес туда спичку и воздух, выходящий от туда, загорелся. Папа объяснил мне, что это газ – метан. Метан содержится в природном газе, который добывают из под земли, в болотных местностях, а также, в настоящее время, его стали получать в составе биогаза.

И мне стало интересно, возможно ли в домашних условиях получить БИОГАЗ?

Цель моей работы – выяснить, что такое биогаз и получить его в домашних условиях.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

• Изучить литературу по данному вопросу

• Провести опрос одноклассников

• Собрать простейшую биогазовую установку и подготовить сырье

• Наблюдение за процессом получения биогаза

• Проанализировать полученные результаты и сделать выводы

Мои гипотезы:

1. Если перерабатывать отходы, то можно сделать биогаз доступным источником энергии.

2. Получение биогаза будет иметь важное значение в будущем.

Актуальность темы обусловлена тем, что в настоящее время мир стоит на пороге энергетического и экологического кризиса. Дефицит энергии и ограниченность топливных ресурсов, загрязнение атмосферы и ценных сельскохозяйственных земель приводит к переходу на использование альтернативных источников энергии, которые безопасны в экологическом плане и являются возобновляемыми. К такому источнику и относится биогаз.

Для того чтобы разобраться в этом вопросе мне необходимо:

1. Изучить литературу и информацию о биогазе в сети Интернет.

2. Провести опрос одноклассников.

3. Провести эксперимент.

4. Воспользоваться помощью взрослых.

5. Обобщить полученную информацию и сделать выводы.

1. Биогаз и его история

БИОГАЗ – это смесь газов, образующихся в результате перегнивания биомассы, т.е. растительных остатков в условиях отсутствия воздуха. В качестве биомассы могут выступать свалочные отходы, отходы животноводства (навоз) и сельского хозяйства, отходы скотобоен, некоторые культуры, например, силосной кукурузы, рапса, подсолнечника, овса, сахарной и кормовой свеклы вместе с ботвой.

Биогаз на 55-80% состоит из метана. Этот газ легко воспламеняем.

Выработка биогаза естественным путем происходит в навозных кучах, на мусорных свалках и в очистных сооружениях.

На крупных предприятиях по получению биогаза растительный мусор разлагают под воздействием бактерий в горячих метановых реакторах.

История использования биогазовых технологий уходит далеко в прошлое. Так, еще в 17 веке до нашей эры Китай, Индия и Персия уже начинали использовать примитивные биогазовые технологии.

Научные исследования биогаза и его свойств начались только в 18 веке. В 1764 г. Бенджамин Франклин описал эксперимент, в котором ему удалось поджечь поверхность заболоченного озера. После установления наличия метана в болотном газе и открытия его химической формулы европейские ученые начали изучать области практического применения биогаза.
Русский ученый Попов изучил влияние температуры на количество выделяемого газа. Было установлено, что уже при температуре в 6°C речные отложения начинают выделять биогаз, а сростом температуры его объемы увеличиваются.

Самая первая биогазовая установка была построена в Бомбее, Индия в 1859 году.

В 1881 г. европейские ученые провели ряд опытов по использованию биогаза при отоплении помещений и освещения улиц. С 1895 г. биогаз применялся в Великобритании для уличного освещения. В Бомбее газ собирался в коллекторы и использовался как топливо в различных двигателях.

Первый крупный завод по производству биогаза был построен в 1911 г. в Великобритании и использовался для переработки осадков сточных вод города. Получаемый биогаз использовался для производства электроэнергии.

Немецкие ученые в 1914-1921 гг. усовершенствовали процесс получения биогаза, что заключалось в использовании постоянного подогрева емкостей с сырьем. Во время Первой мировой войны была нехватка топлива, что подтолкнуло к распространению биогазовых установок по Европе.

Начиная с 1940-х гг., в СССР начались проводиться исследования биогаза. В 1948-1954 гг. была разработана и построена первая лабораторная установка по утилизации навоза от десяти коров.

Одна из первых биогазовых установок, перерабатывающая навоз крупного рогатого скота, была введена в середине 50-х г.г. на острове Хортица в Запорожье на Украине, вторая в Молдове.

Первый проект биогазовой станции стартовал в России в 2009 году – это биогазовая станция в деревне Дошино Калужской области.

Сегодня биогазовые технологии стали стандартом очистки сточных вод и переработки сельскохозяй­ственных и твердых отходов и используются в большинстве стран мира.

Мировым лидером по внедрению технологий производства биогаза является Китай, второе месте за Индией, на третьем месте страны Европы. В Германии имеются целые села на биоэнергии!

Сегодня в России действующих биогазовых станций считаные единицы и одна из них находится в нашей Белгородской области.

Перед строительством биостанции в нашей области, был проведен эксперимент и выяснилось, что солнечные батареи в области ставить невыгодно, они занимают ценные сельскохозяйственные земли. Но зато подошли биогазовые станции.

В 2012 г. в Белгородской области была построена первая крупнейшая промышленная биогазовая станция России «Лучки». Я побывала на данной станции (https://cloud.mail.ru/public/AwS3/8phw2YmE9 ).

Биогазовая станция «Лучки» (Прохоровский район Белгородской области) 25 июня 2012 года отпустила в сеть первую электроэнергию, а 20 июля 2012 вышла на проектную мощность 2,4 МВт. В феврале 2015 года мощность станции была расширена до 3,6 МВт. Электроэнергии, вырабатываемой станцией достаточно, к примеру, для обеспечения суточных нужд 45 тыс. жителей.

Основным сырьем для работы станции являются органические отходы предприятий агропромышленного комплекса.

После изучения истории, мне стало интересно, что знают о биогазе мои одноклассники. Поэтому я провела опрос одноклассников.

В опросе приняли участие 22 ученика. В анкете было 3 вопроса.

В результате опроса установлено, что не все ученики моего класса знают что такое биогаз, почему его так называют и где его используют/применяют.

Сырьем для получения биогаза могут стать самые различные отходы органического происхождения.

2. Эксперимент

После изученного материала о биогазе мы приступили к эксперименту. Весь процесс по получению биогаза можно разделить на несколько этапов:

1. Подготовка и сборка простейшей биогазовой установки;

2. Подготовка сырья для биогазовой станции;

3. Наблюдение за процессом получения биогаза.

Для эксперимента нам понадобится:

- пластмассовая канистра на 20 литров и железная бочка;

- автомобильная камера;

- тонкий прозрачный силиконовый шланг;

- соединители и кран;

- нагревательная лампа;

- куриный помёт;

- помощь взрослых.

Вначале сделали простейшую биогазовую установку. Для этого мы взяли пластмассовую канистру и автомобильную камеру. Соединили их между собой силиконовым шлангом. Посередине шланга поставили тройник для вывода одного конца под пуск газа. На этом конце поставили кран.

Для проверки утечки воздуха/газа из всей системы мы накачали камеру воздухом и с помощью мыльного состава проверили все соединения нашей биогазовой станции.

Отдельно подготовили железную бочку с нагревательной лампой.

В качестве сырья использовали куриный помёт. Его разбавили горячей водой до полужидкого состояния.

С помощью лейки, влили данный раствор в канистру и плотно закрыли ее, чтобы не поступал туда воздух, т.к. гниение сырья должно происходить без воздуха. Канистру с сырьем ставим в бочку.

Включаем нагревательную лампу в бочке и устанавливаем температуру для поддержания в бочке на 40⁰. Соединяем все элементы системы и наша биогазовая установка начала свою работу. Утром и вечером папа встряхивал наше сырье в канистре для перемешивания сырья. Перемешивание необходимо для более быстрой и качественной выработки биогаза.

Биореактор

Газовое хранилище

Подогревающая ёмкость

Биореактор — основная часть биогазового комплекса, в котором происходит процесс сбраживания/гниения органического сырья с биохимическим превращением его в органические удобрения и выделением биогаза. В нашем случае это пластмассовая канистра плотно закрытая с сырьем.

Газовое хранилище – это часть биогазового комплекса, в котором происходит сбор биогаза. В нашем случае это автомобильная камера.

Подогревающая ёмкость – это тоже часть биогазового комплекса, с помощью которого происходит поддержание необходимой температуры для гниения органического сырья. В нашем случае это железная бочка с крышкой куда установлен нагревательный прибор с градусником.

На 3-ий день работы нашей биогазовой установки мы заметили, что наша камера начала надуваться.

Это означает, что пошёл процесс гниения отходов и выработка газа.

На 14-ый день работы наша камера полностью надулась, т.е. заполнилась газом.

На 3-й день работы установки

На 14-й день работы установки

На 16-й день нашего эксперимента мы решили попробовать есть ли газ в нашей камере. Папа приоткрыл кран и поднес спичку, появился факел. Наш эксперимент удался (https://cloud.mail.ru/public/9C7m/uxjz4nobP).

Когда зажегся у нас фитиль, мы решили провести еще небольшой эксперимент по нагреву воды. Возможно, ли на этом газе вскипятить воду?

Через 28 минут наша вода начала закипать, при этом на природном газе, который у нас на кухне, эта кружка воды закипает за несколько минут. Большая длительность нагрева воды связана с тем, что в нашем эксперименте давление биогаза было очень мало, горел небольшой фитилёк, а на кухне давление природного газа в конфорках большое (https://cloud.mail.ru/public/Pfer/L1ao9jfxZ ).

Эксперимент по получению биогаза в домашних условиях проводили дважды. Первый раз проведен был не удачно, т.к. не была выдержана температура подогрева биореактора.

Первый эксперимент

Второй эксперимент

3. Применение биогаза

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

Биогазовая установка способна самостоятельно производить газ и тепло. Дополнительное оборудование (ТЭЦ – тепловая электро станция) преобразует биогазовую станцию в источник электроэнергии и тепла. А отходы органической переработки являются хорошим удобрением для полей.

Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, т. е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки.

В производстве и использовании биогаза лидирует Дания — биогаз занимает до 18 % в её общем энергобалансе.

По количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия — 8000 установок.

В Западной Европе более половины всех птицеферм отапливаются биогазом, также им отапливаются дома и освещают улицы.

Швеция считается лидером по продаже машин, заправляемых биогазом, создан первый работающий на биогазе поезд.

На данный момент в России биогазовые станции недостаточно популярны, хотя перспективы для развития биогазовых технологий огромны. По статистическим данным в России общее количество органических отходов сельского хозяйства ежегодно составляет 300 млн т, из которых можно получить 90 млрд. м³ биогаза или около 150 млрд. кВт/ч электроэнергии.

Развитие биогазовой промышленности идёт в двух направлениях: создаются крупные биогазовые станции и небольшие фермерские биогазовые установки. С учётом того, что большая часть российских почв малоурожайны, сельскохозяйственные земли с каждом годом истощаются и требуют внесения удобрений, создание биогазовых установок должно стимулироваться государством. Это позволит:

- решить проблему отходов;

- обеспечить электроэнергией фермерское хозяйство;

- повысить плодородность почв, а значит и повысить урожай.

Также, в России имеются огромные территории, где нет возможности подвести природный газ к населенным пунктам. В таких населенных пунктах, люди используют небольшие биогазовые установки для приготовления пищи и обогрева своего жилья.

А вы знали, что биостанция Лучки Белгородской области, перерабатывая в сутки 250 тонн различных отходов, получает 30-33 тысячи кубометров биогаза, из которых, в свою очередь, выходит 70-80 тысяч килловат в час электроэнергии и 200 тонн органических удобрений. Такого объема энергии достаточно, к примеру, для обеспечения суточных нужд 45 тыс. жителей.

Электроэнергия, вырабатываемая на биостанции Лучки, используется для производственных нужд станции, а избыток продается в энергетическую компанию.

Заключение

В работе над своим экспериментом я узнала очень много нового и интересного о биогазе и его применении как в России, так и в зарубежных странах.

Благодаря наблюдениям и полученной информации можно сделать следующие выводы:

1. Переработка биологических отходов в биогаз способствует значительному улучшению жизни всего живого на Земле.

2. Биогаз – это электроэнергия, тепло и удобрения.

3. С помощью небольших биогазовых установок можно снабдить газом удаленные населенные пункты, куда нет возможности подвести природный газ.

Биогазовые станции имеют большой потенциал на территории России. Они отличаются надежностью, высокой степенью безотходности работы реакторов. Имеется богатая сырьевая база на территории государства, а также спрос среди населения в удаленных районах, где нет природного газа. Поэтому данный вид источника энергии может стать основным, заменив неэкологичные, низкоэффективные и не возобновляемые источники энергии. Это перспективная отрасль, которая требует формирования и развития при поддержке государства.

Список использованной литературы

1. https://scienceforum.ru/2017/article/2017033030 - ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗА И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ В РОССИИ

2. http://biogaz-russia.ru/ispolzovanie-biogaza - Использование биогаза

3. https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/82624/1/sueb_2020_040.pdf - ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БИОГАЗА В РОССИИ

4. https://www.renwex.ru/ru/ii/biogaz/ - Биогаз в возобновляемой энергетике

5. https://ria.ru/20161012/1479066231.html - Биогазовая станция "Лучки" в сутки вырабатывает 70 тыс кВтч электроэнергии