Կենսագազ

Կենսագազ, գազ, ստացված կենսազանգվածի ջրածնային կամ մեթանային խմորումից։ Կենսազանգվածի մեթանային տարալուծումը տեղի է ունենում երեք տեսակ բակտերիաների ներգործությամբ։ Սննդի շղթայում հաջորդող բակտերիաները սնվում են նախորդների կենսագործունեությաան արգասիքներով։ Առաջին տեսակը՝ ջրալուծական բակտերիաներ, երկրորդը՝ թթու առաջացնող բակտերիաներ, երրորդը՝ մեթան առաջացնող։ Կենսագազի արտադրությանը մասնակցում են ոչ միայն մեթանոգեն դասի բակտերիաները, այլ նաև բոլոր երեք տեսակները։ Կենսագազի տարատեսակներից է համարվում կենսաջրածինը, որտեղ բակտերիաների կենսագործունեության վերջնանյութը համարվում է ոչ թե մեթանը, այլ՝ ջրածինը։

Պատմություն խմբագրել

XVII դարում Յան Բապտիստ Վան Հելմոնտը հայտնաբերեց, որ քայքայվող կենսազագնվածը անջատում է դյուրավառ գազեր։ Ալեսանդրո Վոլտան 1776 թվականին եկել է եզրակացության քայքայվողղ կենսագազի և անջատվող գազի քանակների միջև կախվածության գոյության մասին։ 1808 թվականի սեր Հեմֆրի Դևին հայտնաբերեց մեթան կենսագազի մեջ։

Առաջին փաստաթղթերով հիմնավորված կենսագազի կայանը կառուցվել է Բոմբեյում, Հնդկաստանում 1859 թվականին։ 1895 թվականին կենսագազը օգտագործվում էր Մեծ Բրիտանիայում փողոցների լուսավորման համար։ 1930 թվականին, մանրէաբանության զարգացմամբ, հայտնաբերվեցին կենսագազի արտադրության գործընթացին մասնակցող բակտերիաներ։

ԽՍՀՄ-ում ուսումնասիրություններ իրականացվել են նախորդ դարի 40-ական թվականներին։ 1948-1954 թթ․ կառուցվեց և շահագործման պատրաստվեց առաջին լաբորատոր կայանը։ 1981 թվականին Գիտության և տեխնիկայի պետական կոմիտեի ներքո ստեղծվեց կենսագազի բնագավառի զարգացման ծրագրի մասնագիտացված բաժանմունք։ Գյուղատնտեսական մեքենաշինության Զապարոժյան կոնստրուկտորա-տեխնոլոգիական համալսարանը կառուցեց սարքավորումների 10 հավաքածու^[1].։

Կենսագազի կազմությունը և հատկությունները խմբագրել

50-87% մեթան, 13-50% CO₂_, H₂ և H₂S աննշան խառնուրդ։ Կենսագազը CO₂-ից մաքրելուց հետո ստացվում է կենսամեթան։ Կենսամեթանը ամբողջապես համանման է բնական գազի, միայն առաջացման տարբերությամբ։ Քանի որ կենսագազից միայն մեթանն է էներգիա անջատում, գազի որակի, գազի ելքի և քանակի նկարագրության համար նպատակահարմար է ամեն ինչ վերագրել մեթանին՝ իր չափորոշիչ ցուցիչներով։ Գազի ծավալը կախված է ջերմաստիճանից և ճնշումից։ Բարձր ջերմաստիճանը հանգեցնում են գազի ընդլայնման և ծավալի հետ կալորիականության նվազեցմանը և հակառակը։ Բացի դա, խոնավության մեծացմամբ կալորիականությունը նույնպես նվազում է։ Որպեսզի հնարավոր լինի գազի ելքերը հավասարեցնել իր հետ, անհրաժեշտ է նրանց համեմատել նորմալ վիճակում (0 °C ջերմաստիճան, 1,01325 bar մթնոլորտային ճնշում, գազի 0% հարաբերական խոնավություն)։ Ընհանուր առմամբ, գազի արտադրության մասին տվյալներն արտահայտում են լիտրով (լ) կամ մեթանի խորանարդ մետրով (մ³) 1 կգ օրգանական չոր նյութի համար (ՕՉՆ), սա ավելի հստակ և գեղեցիկ է հնչում, քան տվյալները մ³ կենսագազում մ³ թարմ հումքի համար։

Հումքի ստացման համար խմբագրել

Կենսագազի արտադրության եղանակի համար օրգանական թափոնների ցանկ․ գոմաղբ, թռչնաղբ, գարի, ճակնդեղի մզուք, ձկների և սպանդանոցների թափոններ (արյուն, ճարպ, աղիքներ, կանիգա՝ որոճող կենդանիների որովայն), խոտ, կենցաղային թափոններ, կաթի գործարանների թափոններ՝ աղի և քաղցր կաթնային շիճուկ, կենսադիզելային վառելիքի արտադրության թափոններ, տեխնիկական գլիցերին՝ սև կենսադիզելի արտադրությունից, հյութերի արտադրության թափոններ՝ մրգային, հատապտղային, բանջարեղենային, խաղողի մզուք, ջրիմուռներ, օսլայի և մրգահյութի արտադրության թափոններ՝ չեչ և անուշահյութ, կարտոֆիլի վերամշակաման թափոններ, չիպսի արտադրության թափոններ, կճեպներ, կեղևներ, փտած պալարներ, սրճային խյուս։

Բացի թափոններից կենսագազ կարելի է արտադրել հատուկ աճեցված էներգետիկ մշակաբույսերից, օրինակ՝ սիլոսային եգիպտացորենից և սիլֆիից, ինչպես նաև ջրիմուռներից։ Գազի ելքը կարող է հասնել մինչև 300 մ³-ից 1 տոննա։

Գազի ելքը կախված է չոր նյութի պարունակությունից և օգտագործվող հումքի տեսակից։ Խոշոր եղջերավոր անասունների գոմաղբից ստացվում է 60% մեթան պարունակող, 50-65 մ³ կենսագազ, 150-500 մ³ կենսագազ տարբեր տեսակի բույսերից և 70% մեթան պարունակողներից։ Կենսագազի առավելագույն քանակը 87% մեթան պարունակող1300 մ³ է, այն կարելի է ստանալ յուղից։

Տարբերում են տեսական (ֆիզիկապես հնարավոր) և տեխնիկապես իրագործելի գազի ելքեր։ 1950-70-ական թվականներին գազի հնարավոր ելքը տեսականորեն կազմում էր ընդամենը 20-30%։ Այսօր հումքի արհեստական վատթարացման համար ֆերմենտների, խթանիչների կիրառությունը (օրինակ՝ ուլտրաձայնային կամ հեղուկային կաբիտատորներ) և այլ հարմարանքներ, թույլ են տալիս 60%-ից 95%-ով մեծացնել կենսագազի ելքը ամենատարածված կայանքի վրա։

Կենսագազային հաշվարկներում օգտագործվում է չոր նյութ (ՉՆ կամ անգլերեն TS) կամ չոր մնացորդ (СО)։ Կենսազանգվածում պարունակվող ջուրը գազ չի տալիս։

Գործնականում 1 կգ չոր նյութից ստանում են 300-ից 500 լիտր կենսագազ։

Կոնկրետ հումքից կենսագազի ելքը հաշվելու համար, անհրաժեշտ է անցկացնել լաբորատոր փորձարկում կամ դիտել տեղեկատու տվյալները և որոշել հեղուկների, սպիտակուցների և ածխաջրերի պարունակությունը։ Վերջինները որոշելիս կարևոր է իմանալ արագ (ֆրուկտոզ, շաքար, սախարոզ, օսլա) և դժվար քայքայվող նյութերի (օրինակ՝ բջջանյութ, հեմիբջջանյութ, լիգնին) տոկոսային պարունակումը։ Նյութերի պարունակությունը որոշելով, կարելի է յուրաքանչյուր նյութի համար հաշվարկել գազի ելքը և հետո ավելացնել։

Հնում, երբ չկար գիտություն կենսագազի մասին և կենսագազը զուգորդվում էր գոմաղբի հետ, ընդունում էին «կենդանական միավոր» հասկացությունը։ Այսօր, երբ սովորեցին կենսագազ ստանալ կամայական օրգանիկ հումքից, այդ հասկացությունը վերացավ և դադարեց օգտագործվել։

Աղբակույտային գազը կենսագազի տարատեսակ է։ Ստացվում է քաղաքային աղբանոցների կենցաղային թափոններից։

Տնտեսություն խմբագրել

Կենսագազի արտադրությունը թույլ է տալիս կանխել մեթանի արտանետումը դեպի մթնոլորտ։ Մեթանը ջերմոցային էֆեկտի ազդեցություն է թողնում 21 անգամ ավելի ուժեղ, քան СО2 գազը, և մթնոլորտում է գտնվում 12 տարի։ Մեթանի ստացումը լավագույն կարճաժամկետ միջոցն է գլոբալ տաքացումը կանխելու համար։

Վերամշակված գոմաղբը, տակուցքը և այլ թափոններ գյուղատնտեսությունում փոխարինվում են որպես պարարտանյութ։ Սա թույլատրում է նվազեցնել քիմիական պարարտանյութերի կիրառությունը, կրճատվում է ստորգետնյա ջրերի ծանրաբեռնվածությունը։

Արտադրություն խմբագրել

Գոյություն ունեն արդյունաբերական և տնայնագործական կայաններ։ Արդյունաբերական կայանները տնայնագործականից տարբերվում են մեքենայացման, ջեռուցման համակարգի, հոմոգենացման, ավտոմատացման առկայությամբ։ Արդյունաբերական ամենատարածված մեթոդը անաէրոբ խմորում առաջացնելն է մեթանթենկում։

Լավ կենսագազային կայանը պետք է ունենա անհրաժեշտ մասեր․

Հոմոգենացման տարողունակություն
Պինդ (հեղուկ) հումքի բեռնիչ մեքենա
Ռեակտոր
Խառնիչ
Գազամբար
Ջրի և տաքացման խառնման համակարգ
Գազային համակարգ
Պոմպային կայան
Զատիչ մեքենա
Վերահսկման պարագաներ
Վերահսկիչ չափիչ գործիքներ ավտոմատացման և տեսողականության համար
Անվտանգության համակարգ

Կայանի աշխատանքի սկզբունքը խմբագրել

Կենսազանգվածը (թափոնները կամ կանաչ զանգվածը) պարբերաբար շարժվում է պոմպային կայանի կամ ռեակտորում բեռնիչ մեքենայի օգնությամբ։ Ռեակտորն իրենից ներկայացնում է սարքավորված խառնիչներով ջեռուցման և տաքացման աղբյուր։ Արդյունաբերական շտեմարանի շինանյութ ամենից հաճախ ծառայում է երկաթբետոնը կամ պատված պողպատը։ Քիչ կայաններում երբեմն օգտագործվում է տարբեր մետաղներից պատրաստված համաձուլվածքների հումք։ Ռեակտորում ապրում են կենսազանգվածով սնվող օգտակար բակտերիաներ։ Բակտերիաների կենսագործունեության արգասիքը համարվում է կենսագազը։ Բակտերիաների կյանքի պահպանման համար պահանջվում է սննդի մատակարարում՝ տաքացված 35-38 °С-ում և պարբերական հունցում։ Ստացված կենսագազը կուտակվում է պահեստում (գազամբարում), այնուհետ անցնում է մաքրման համակարգ և տրվում է սպառողին (կաթսա կամ էլեկտրաէներգատոր)։ Ռեակտորն աշխատում է առանց օդի հասանելիության, հերմետիկ և անվտանգ է։

Մաքուր տեսակի հումքի որոշ տեսակների խմորման համար պահանջվում է հատուկ տեխնոլոգիա։ Օրինակ՝ սպիրտային տակուցքը վերամշակվում է քիմիական հավելումների օգտագործմամբ։ Թթու մելասային տակուցքի համար օգտագործվում է ալկալի։ Այս հիմքերի վերամշակումը տեխնոլոգիապես հնարավոր է մեկ փուլով՝ առանց քիմիական հավելումների, բայց այլ տեսակի հումքի հետ միաձուլվելու դեպքում (խառնվելիս) հնարավոր է, օրինակ՝ գոմաղբի կամ սիլոսի հետ։

Խմորման գործընթացի վրա ազդող գործոններ խմբագրել

Ջերմաստիճան
Շրջակա միջավայրի խոնավություն
рН մակարդակ
C: N: P հարաբերոություն
Հումքի մասնիկների մակերես
Հիմքերի մատակարարման հաճախություն
Դանդազեցնող նյութեր
Խթանիչ հավելումներ

Ջերմաստիճան խմբագրել

Մեթանային բակտերիաները իրենց կենսագործունեությունը դրսևորում են 0-70ºС ջերմաստիճանի սահմաններում։ Եթե ջերմաստիճանը բարձր է, նրանք սկսում են ոչնչանալ՝ բացառությամբ մի քանի շտամների, որոնք կարող են ապրել բնության մեջ մինչև 90ºС ջերմաստիճանում։ Բացասական ջերմաստիճանում նրանք գոյատևում են, սակայն դադարեցնում են կենսագործունեությունը։ Գրականության մեջ որպես մեղմ ջերմաստիճանի սահման նշվում է 3-4ºС։

Հումքի մասնիկների մակերեսը խմբագրել

Սկզբունքայնորեն ակնհայտ է, որ որքան քիչ են հիմքի մասնիկները, այնքան լավն են։ Որքան մեծ է բակտերիաների համար փոխազդեցության մակերեսը և որքան ավելի թելատու է հիմքը, այնքան հեշտ և արագ է հիմքը բաժանել բակտերիաների։ Բացի այդ, ավելի հեշտ է խառնել, իրար միացնել և տաքացնել առանց լողացող կեղևի և նստվածքի կազմավորման։ Մանրացված հումքը խմորման ժամաանակահատվածում ազդում է արտադրված գազի վրա։ Որքան կարճ է խմորման ժամանակահատվածը, այնքան ավելի լավ պետք է մանրացված լինի հումքը։

Խմորման բավական երկարատև ժամանակահատվածում արտադրված գազի քանակը կրկին մեծանում է։ Մանրացված հատիկների օգտագործմամբ դրան արդեն հասել ենք 15 օր հետո։

Կիրառություն խմբագրել

Կենսագազոով աշխատող Ավտոբուս, Բեռն, Շվեյցարիա

Կենսագազն արդյունաբերութան մեջ օգտագործվում է որպես վեռելանյութ՝ էլեկտրաէներգիա, ջերմությւոն և գոլորշի, կամ որպես ավտոմոբիլային վառելիք։

Կենսագազային կայանները կարող են տեղադրվել որպես ագարակների, թռչնաբուծարանների, սպիրտային գործարանների, շաքարի գործարանների, մսակոմբինատների մաքրիչ կառույցներ։ Կենսագազային կայանները կարող են փոխարինել անասնապահական-բուժական գործարանին, այսինքն դիակը կարող է օգտագործվել կենսագազում մսոսկրային ալյուրի փոխարեն։

Արդյունաբերական զարգացած երկրների շարքում կենսագազի արտադրման և օգտագործման առաջատար տեղը հարաբերական ցուցանիշներով պատկանում է Դանիային՝ կենսագազը նրա ընդհանուր էներգիահաշվեկշռում զբաղեցնում է մինչև 18%։ Միջին և խոշոր կայանների քանակի բացարձակ ցուցանիշներով առաջատար տեղը զբաղեցնում է Գերմանիան՝ 8000 կայաններով։ Արևմտյան Եվրոպայում թռչնաբուծարանների առնվազն կեսը ջեռուցվում են կենսագազով։

Զարգացող երկրներ խմբագրել

Հնդկաստանում, Վիետնամում, Նեպալում և այլ երկրներում կառուցվում են փոքր (մեկ ընտանիքի) կենսագազային կայաններ։ Նրանցում ստացված գազը օգտագործվում է սննդի պատրաստման համար։

Ամենից շատ մանր կենսագազային կայանները գտնվում են Չինաստանում՝ 10 միլիոնից ավելի (1990-ականների վերջին)։ Նրանք մեկ տարում արտադրում են մոտավորապես 7 մլրդ մ³ կենսագազ, որը վառելանյութով ապաահովում է մոտ 60 մլն գյուղացիների։ 2010 թվականի վերջին Չինաստանում արդեն գործում էին մոտ 40 մլն կենսագազային կայաններ։ Չինաստանի կենսագազի արդյունաբերությունում աշխատում է 60 հազար մարդ^[2]։

1981 թվականից մինչև 2006 թվականը Հնդկաստանում տեղակայված էին 3,8 մլն փոքր կենսագազային կայաններ։

Նեպալում գոյություն ունի կենսագազային էներգետիկայի զարգացման աջակցության ծրագիր, որի շնորհիվ գյուղական վայրերում 2009 թվականի վերջին ստեղծվել էին 200 հազար փոքր կենսագազային կայաններ^[3]։

Ավտոմոբիլային տրանսպորտ խմբագրել

Volvo և Scania արտադրում են կենսագազով աշխատող շարժիչներով ավտոբուսներ։ Այդպիսի ավտոբուսներն ակտիվորեն օգտագործվում են Շվեյցարիայի քաղաքներում․ Բեռնում, Բազելում, Ժնևում, Լյուցեռնում և Լոզանում։ Ըստ Գազային արդյունաբերության Շվեյցարական Ասոցացիայի կանխագուշակման 2010 թվականից Շվեյցարիայի ավտոտրանպորտի 10% կաշխատի կենսագազով։

Օսլոյի քաղաքապետարանը 2009 թվականի սկզբին 80 քաղաքային ավտոբուսներ փոխարինեցին կենսագազով։ Կենսագազի արժեքը բենզինի մեկ լիտրին համարժեք կազմում է €0,4 — €0,5։ Ստուգումների հաջող ավարտով կենսագազով կփոխարինվեն 400 ավտոբուսներ^[4]։

Ներուժ խմբագրել

Ռուսաստանում գյուղատնտեսական համալիրները ամեն տարի արտադրում են 773 միլիոն տոննա թափոն, որից կարելի է ստանալ 66 միլիարդ մ³ կենսագազ, կամ մոտավորապես 110 միլիարդ կՎտ•ժ էլեկտրաէներգիա։ Կենսագազի գործարանների ընդհանուր պահանջարկը Ռուսաստանում գնահատվում է 20 հազար ձեռնարկությունների առկայությամբ^[5].։

ԱՄՆ-ում բուծվում է մոտ 8,5 միլիոն կով, որոնցից ստացված գոմաղբը բավական է 1 միլիոն ավտոմեքենաներ վառելանյութով ապահովելու համար^[6]։

Մինչև 2030 թվականը Գերմանիայի կենսագազային արդյունաբերության ներուժը գնահատվում է 100 միլիարդ կՎտ·ժ էներգիա, որը կկազմի երկրի սպառվող էներգիայի մոտ 10%-ը։

Քննադատություն խմբագրել

Կենսագազի արտադրության համար էներգետիկ մշակաբույսերի օգտագործումը քննադատության է ենթարկվում բուսական աշխարհի կողմից՝ մասնավորապես Գերմանիայում։ Կան բացասական կողմեր՝

Ջերմոցային գազերի բաց թողումը կապված է ազոտական պարարտանյութերի օգտագործման հետ։
Ֆոսֆորային պարարտանյութերով հողի և ստորերկրյա ջրերի աղտոտումը։
Ոռոգումը։
Պարենային մշակաբույսերի արտադրության դուրս մղումը։
Սննդամթերքի գնաճը^[7]։

Գրականություն խմբագրել

Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. . Биогаз: теория и практика = Biogas in Theorie und Praxis. — М.: Колос, 1982. — 148 с.
Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. ГОСТ 5542-87.
Фюкс, Ральф. . Зеленая революция: Экономический рост без ущерба для экологии = Intelligent Wachsen. Die grune Revolution. — М.: Альпина нон-фикшн, 2015. — 330 с. — ISBN 978-5-91671-459-3.
Эдер Б., Шульц Х. . Биогазовые установки. Практическое пособие. — Zorg Biogas, 2011. — 181 с.