Метод оцінювання використання енергії біомаси шляхом виробництва біогазу

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.32347/2409-2606.2025.52.47-68

Ключові слова:

біогаз, біометан, анаеробне бродіння, біотермодинаміка

Анотація

На даний час близько 10% енергії, що виробляється у світі – це енергія біопалива, одержуваного в результаті ферментації рослинної біомаси. Біопаливо з біомаси отримало широкомасштабне використання: етанол із цукрової тростини в Бразилії, етанол із кукурудзи в США. Анаеробне бродіння це стійка технологія, що використовується при переробці відходів та виробництві енергії. Перші покоління біопалив виготовлені з сировини за технологією перетворення біоенергетичних культур.

Біопаливо другого покоління – це продукти на біологічній основі, що виробляються з використанням нехарчової сировини сільськогосподарського і лісового походження. Третє покоління біопалив вироблено з водної сировини.

Для оцінки виходу біогазу з біомаси необхідно виконати розрахунки процесів анаеробного бродіння. Широко відома модель Базуела дозволяє теоретично визначити кількість біометану із субстрату з органічних речовин. Модель поєднує хімічні, біохімічні і термодинамічні процеси, що відбуваються в біосистемі. Метод Базуела оцінює вихід продуктів анаеробного бродіння на основі теоретичної стехіометричної оцінки. Теоретичні біохімічні метанові потенціали (TBMP) розглядають всі органічні речовини як біорозкладні. Кількість біометану (nCH₄) є параметром, який залежить від елементарної композиції органічної матерії. Для визначення nCH₄ необхідні вимірювання і розрахунки, що базуються на елементному аналізі, а емпіричну формулу органічної речовини можна визначити за допомогою стехіометричного методу.

Більш високі значення отримані для зернових та лігніну - від 698.6 до 705.4 дм³/кг, для деревини та соломи вихід біогазу становить від 476.5 до 514.2 дм³/кг. Твердий осад стічних вод дає 570 дм³/кг.

Біогаз, одержуваний у процесі анаеробного бродіння, не тільки є чистим джерелом енергії, але також сприяє зменшенню об'єму твердих відходів та зниженню викидів парникових газів. Це відбувається завдяки зменшенню утворення метану, який зазвичай виділяється під час розкладання органічних відходів у природних умовах. Анаеробне бродіння також може бути інтегроване в різні сільськогосподарські та промислові процеси, що дозволяє значно підвищити ефективність використання ресурсів.

Використання різних типів біопалива, як-от біодизель, біогаз та біоетанол, має важливе значення для переходу до більш стійкої енергетичної системи. Біодизель можна отримувати з різних видів рослинної олії та відходів харчової промисловості, що робить його перспективним замінником традиційного дизельного палива. Використання біоетанолу у транспортному секторі допомагає зменшити залежність від викопних палив та скоротити викиди шкідливих речовин.

Біографії авторів

Олександр Редько, Харківський національний університет міського господарства

професор

Ігор Редько, Український державний університет залізничного транспорту

професор

Андрій Редько, andrey.ua-mail@ukr.net

професор

Максим Батюта, Харківський національний університет міського господарства

аспірант

Олег Ліщинський, Сумський національний аграрний університет

аспірант

Кирил Цимбал, Сумський національний аграрний університет

аспірант

Посилання

Elliston, Ben, et al. “Comparing Least Cost Scenarios for 100% Renewable Electricity with Low Emission Fossil Fuel Scenarios in the Australian National Electricity Market.” Renewable Energy, vol. 66, June 2014, pp. 196–204. https://doi.org/10.1016/j.renene.2013.12.010.

Mason, I. G., et al. “A 100% Renewable Electricity Generation System for New Zealand Utilising Hydro, Wind, Geothermal and Biomass Resources.” Energy Policy, vol. 38, no. 8, Aug. 2010, pp. 3973–3984. https://doi.org/10.1016/j.enpol.2010.03.022.

Jacobson, Mark Z., et al. “100% Clean and Renewable Wind, Water, and Sunlight (WWS) All-Sector Energy Roadmaps for the 50 United States.” Energy & Environmental Science, vol. 8, no. 7, 2015, pp. 2093–2117. https://doi.org/10.1039/C5EE01283J.

Zappa, William, et al. “Is a 100% Renewable European Power System Feasible by 2050?” Applied Energy, vol. 233–234, Jan. 2019, pp. 1027–1050. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.08.109.

Popovic, Marko, et al. “Thermodynamics of Microbial Consortia: Enthalpies and Gibbs Energies of Microorganism Live Matter and Macromolecules of E. Coli, G. Oxydans, P. Fluorescens, S. Thermophilus and P. Chrysogenum.” Journal of Biotechnology, vol. 379, Jan. 2024, pp. 6–17. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2023.11.001.

Peirce, C. A. E., et al. “Phosphorus Availability in Chicken Manure Is Lower with Increased Stockpiling Period, despite a Larger Orthophosphate Content.” Plant and Soil, vol. 373, no. 1–2, Dec. 2013, pp. 359–372. https://doi.org/10.1007/s11104-013-1807-9.

Battley, Edwin H. “The Development of Direct and Indirect Methods for the Study of the Thermodynamics of Microbial Growth.” Thermochimica Acta, vol. 309, no. 1–2, Jan. 1998, pp. 17–37. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(97)00357-2.

Pine, Martin J., and H. A. Barker. “Studies On The Methane Fermentation XII: The Pathway of Hydrogen in the Acetate Fermentation.” Journal of Bacteriology, vol. 71, no. 6, June 1956, pp. 644–648., https://doi.org/10.1128/jb.71.6.644-648.1956.

O’Regan, Gerard. “John McCarthy.” Giants of Computing, by Gerard O’Regan, Springer London, 2013, pp. 183–85. https://doi.org/10.1007/978-1-4471-5340-5_39.

Rafiq, Muhammad Khalid, et al. “Influence of Pyrolysis Temperature on Physico-Chemical Properties of Corn Stover (Zea Mays L.) Biochar and Feasibility for Carbon Capture and Energy Balance.” PLOS ONE, edited by Jie Zheng, vol. 11, no. 6, June 2016, p. e0156894. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0156894.

Ozcan, Hasan, and Ibrahim Dincer. “Thermodynamic Analysis of a Combined Chemical Looping-Based Trigeneration System.” Energy Conversion and Management, vol. 85, Sept. 2014, pp. 477–487. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.06.011.

Bejan, Adrian, et al. Thermal Design and Optimization. Wiley, 1996.

Momoh, Oly, and Li Nwaogazie. “Effect of Waste Paper on Biogas Production from Co-Digestion of Cow Dung and Water Hyacinth in Batch Reactors.” Journal of Applied Sciences and Environmental Management, vol. 12, no. 4, June 2010. https://doi.org/10.4314/jasem.v12i4.55245.

Schultheiß, J., et al. “Domain Wall-Grain Boundary Interactions in Polycrystalline Pb(Zr0.7Ti0.3)O3 Piezoceramics.” Journal of the European Ceramic Society, vol. 40, no. 12, Sept. 2020, pp. 3965–3973. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.03.054.

Kashyap, D. R., et al. “Biomethanation under Psychrophilic Conditions: A Review.” Bioresource Technology, vol. 87, no. 2, Apr. 2003, pp. 147–153. https://doi.org/10.1016/S0960-8524(02)00205-5.

Yuen, Pong Kau, and Cheng Man Diana Lau. “Buswell’s Equation for Quantifying Biohydrogen.” International Journal of Chemistry, vol. 16, no. 1, Mar. 2024, p. 78. https://doi.org/10.5539/ijc.v16n1p78.

Pullen, Tim. Anaerobic Digestion--Making Biogas--Making Energy: The Earthscan Expert Guide. Routledge, Taylor & Francis Group, 2015.

Atkins, Peter, et al. Atkins’ Physical Chemistry. 12th ed., Oxford University Press, 2022. https://doi.org/10.1093/hesc/9780198847816.001.0001

Bochmann, Günther. “Storage and Feedstock Preparation.” Substitute Natural Gas from Waste, Elsevier, 2019, pp. 49–62. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-815554-7.00004-0.

Bamisile, Olusola, et al. “A Biomass-Integrated Comprehensive Energy System: Thermodynamics Assessment and Performance Comparison of Sugarcane Bagasse and Rice Husk as Input Source.” Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, vol. 47, no. 1, Dec. 2025, pp. 316–333. https://doi.org/10.1080/15567036.2020.1824037.

##submission.downloads##

Опубліковано

2025-06-22

Як цитувати

Редько, О., Редько, І., Редько, А., Батюта, М., Ліщинський, О., & Цимбал, К. (2025). Метод оцінювання використання енергії біомаси шляхом виробництва біогазу. Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання, 52, 47–68. https://doi.org/10.32347/2409-2606.2025.52.47-68