МИКРОБНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И МИКРОБНЫЕ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ (СТАНЦИИ). ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ, ПЛЮСЫ И МИНУСЫ СТАНЦИЙ НА АКТИВНОМ МИКРОБНОМ ТОПЛИВЕ

MICROBIAL ENERGY AND MICROBIAL BIOENERGY COMPLEXES (STATIONS). POSSIBILITIES OF APPLICATION, PROS AND CONS OF STATIONS ON ACTIVE MICROBIAL FUEL

Мировое сообщество столкнулось с проблемой приближающегося экологического кризиса. Очищение водных источников, почвы и в целом биосферы земли очень важный, но чрезвычайно дорогой процесс. Ниже приведён универсальный способ переработки и очищения экологии [2].  

Решением столь трагичной ситуации может стать применение биоэлектрических (энергетических) станций (комплексов) в качестве приоритетного способа переработки отходов и получения энергии.   

Биологию и энергетику редко можно наблюдать в симбиозе, но в данной статье они прекрасно дополняют друг друга. Главным явлением, используемым в микробной энергетике, стал процесс возникновения избыточного потенциала у микроорганизмов при диссимиляции.

На планете есть множество микроорганизмов и у каждого есть свои уникальные биологические процессы, которые может использовать человек. В статье будут рассмотрены микроорганизмы, которые можно рационально использовать в получении энергии и утилизации отходов. 

Использование бактерий открывает ряд возможностей:

  1. Первое – это дешевое и действенное очищение окружающей среды.
  2. Второе – это получение крайне дешёвой и доступной электрической энергии.
  3. Третье – это возможность получать второстепенные продукты, которые можно использовать в производстве.

 Данная работа основана на исследование и опыте ученых Вилли Верстрет и его коллеги из бельгийского университета Гента.  Они смогли создать работающий микробный топливный элемент, работающий на сахаре. Такой элемент вырабатывал 0,255 ампер, 2,02 вольт и имел мощность 258 ватт [6].

В статье представлен модернизированный микробный энергетический элемент под перерабатывающую биомассу. Множественные упрощения и ряд кардинальных изменений привели к росту КПД. Раскрыть потенциал МЭЭ (микробный энергетический элемент) можно только в масштабах станции или комплекса.    

Биоэнергетические комплексы переработки отходов могут значительно повлиять на экологическую обстановку в мире. При достаточном развитии идеи БКПО (биоэнергетические комплексы переработки отходов) смогут полностью вытиснить мусоросжигательные заводы и полигоны ТБО.  

География применения БКПО совершенно не имеет ограничений, кроме экстремальных условий. Строительство является блочным и комплексным, что позволит устанавливать станции в труднодоступных местах.    

Биоэлектрические станции в отличие от тепловых станций не загрязняют воздух, а по сравнению с атомными станциями нет риска взрыва и заражения окружающей среды.  Заражение почвы и воды в данных станциях не имеют места, так как все микроорганизмы используемые для выработки электричества на станции являются обычными и безвредными представителями нашей фауны.

Основной процесс

Биоэнергетический элемент основан на процессе появления у бактерий при расщеплении пищи (т.е. при диссимиляции) избыточного электрического потенциала. Бактерии имея избыток электрического потенциала стремятся от него избавится, это можно сделать при обычных условиях, когда бактерия передаёт потенциал кислороду в атмосфере. Можно заставить их перемещать электрический заряд к электроду, тогда в цепи возникнет из-за разности потенциалов электрический ток, т.е. в цепи возникнет ЭДС. Бактерии начинают передавать свой потенциал электроду при анаэробных условиях (т.е. когда нет кислорода и нет других вариантов избавится от избыточного потенциала). Для каждого организма могут быть свои условия для возникновения тока, но все они схожи, по сути, нужно создать условия, при которых не будет возможности передать избыточный потенциал, кроме как электроду [1]. 

 Как было сказано выше избыточный потенциал у бактерий возникает при расщеплении пищи, а это значит, что их пища является для станции топливом. Топливом для станции может служить достаточно большой список того, что нас окружает, т.к. выбор бактерий для станции ничем практически не ограничен, а у каждой бактерии есть свой личный рацион. Среди такого топлива можно выделить самое дешёвое. Оно находится на полигонах ТБО, в сточных водах и даже в выбросах заводов. Таким образом, топливо для биоэнергетических элементов может стать пластик, сталь, дерево, различные органические и синтетические вещества [3].

 Устройство биоэнергетического элемента достаточно просто для понимания каждого человека. Он состоит из емкости, где находится раствор бактерий с пищей для них, крышки с выводом шланга для создания анаэробных условий, опущенных в раствор электродов и конденсатора для накопления электрической энергии. Данный биоэнергетический элемент является универсальным для каждого вида бактерий или других микроорганизмов. В нём можно использовать широкий спектр микроорганизмов от обычных зелёных водорослей(ламинария), до сульфатредуцирующих бактерий и архей [4]. (Смотрите в используемой литературе)


Рис. 1. Устройство биоэнергетического элемента

 

  1. Конденсатор.
  2. Анод (Свинец).                                                 
  3. Вакуумная трубка.
  4. Катод (Железо).
  5. Раствор воды, бактерий и топлива.
  6. Анаэробная среда.

 Процесс работы данного биоэнергетического элемента таков:

  1. В емкость заливается вода и засыпается топливо.
  2. Опускаются электроды.
  3. Запускаются бактерии.
  4. Закрывается крышка.
  5. Подключается конденсатор.
  6. Откачиваем воздух (создать анаэробные условия).
  7. Появляется электрический ток, заряжаем конденсатор.
  8. При исчерпании топлива, отсоединяют конденсатор, забирают второстепенные получившиеся продукты и часть бактерий.

Мощность электрического тока, вырабатываемого в биоэнергетическом элементе, измеряется обычным ваттметром, включенным в цепь электрического тока. Отсюда понятно, что мощность элемента в начале наименьшая, а в середине цикла наибольшая. Это обусловлено тем, что в начале бактерий меньше всего, но в процессе работы их количество возрастает при этом увеличивается вырабатываемая мощность электрического тока. Но рост силы тока наблюдается до середины цикла т.к. росту количества бактерий препятствует исчерпание топлива в элементе, а это значит, что максимальная энергия, вырабатываемая элементом, будет в середине цикла. В конце цикла сила тока будет плавно уменьшаться. Прирост бактерий можно констатировать по визуальным признакам (уплотнение раствора, приобретение характерного цвета), возможно некоторое изменения в массе, а также увеличение вырабатывания газовых и твердых побочных ресурсов. (Подробнее об этом смотрите в приложение 1-5)     


График 1.  Зависимость силы тока от количества бактерий

Устройство станции

 Сердцем станции (БКПО) является биоэнергетический комплекс включающий в себя биоэнергетический элемент и центральный отдел сбора и распределения. В биоэнергетическом элементе вырабатывается электрический ток, газ, вторичные полезные ресурсы. В дальнейшем газ поступает в газохранилище, которое представляет собой герметичный, цилиндрический, стальной сосуд, в котором хранится газ, электрический ток на подстанцию, вторичные продукты на хранилище получаемых продуктов представляющего собой обычный склад, защищённый от влаги.

 По завершению цикла биоэнергетический элемент нуждается в перезапуске, для этого нужно спустить лишнюю жидкость по трубам в жёстком дне биоэнергетического элемента, затем промыть всю ёмкость водой из водохранилища. Лишнюю жидкость сливают в объединяющие колодцы откуда она поступает в хранилище удобрений. Вода, которая сливается в колодцы по составу может быть различной в зависимости от используемых микроорганизмов, т.е. содержать их самих, продукты питания и побочные продукты их жизнедеятельности. Данная вода используется для удобрения.

Для станции минимальной мощности нужно всего 20 человек, так как станция проста в эксплуатации и квалифицированных рабочих требуется минимальное количество.  Газ в газохранилище можно просто продать, можно использовать для подогрева биоэнергетических элементов в холодное время года на отопительных станциях.  

Станцию можно расположить в любом месте, даже около населённого пункта так как станция является экологической и безопасной, как для человека, так и для окружающей среды. Но для большего удобства располагать станцию стоит около сельскохозяйственной деятельности, так как удобрения можно использовать сразу по назначению, без дополнительных перевозок. У данной станции промзона отсутствует, так как станция полностью безопасна и экологична.


Рис. 2 План-схема станции

  1. Центр управления биоэнергетическими элементами.
  2. Биоэнергетические элементы.
  3. Здании обслуживающего персонала.
  4. Парковка, здание специальной техники.
  5. Подстанция.
  6. Объединяющие колодцы (дренажные колодцы).
  7. Тепловая станция.
  8. Газовая сепарационная.
  9. Водохранилище.
  10. Хранилище Топлива.
  11. Хранилища удобрений.
  12. Хранилища удобрений.
  13. Хранилище получаемых продуктов.
  14. Газохранилище.
  15. Трубы для слива лишней жидкости, дороги и подземные коммуникации.

Размеры станции могут быть изменены для достижения необходимых целей. Количество центральных элементов (отдел сбора и распределения вместе с 8 биоэнергетическими элементами) можно изменять в зависимости от того какой мощности нужна станция.

Центральный отдел сбора и распределения имеет два этажа. На первом этаже находится двигательный и подъёмный механизм. Механизм нужен для перемещения и подъёма крышки биоэнергетического элемента. На втором этаже находится операторская, которая управляет сбором газа, электрического тока и отправки их на подстанции и хранилища. На втором этаже находится водоразделительная и обогащающая установка. Эти установки работают совместно. Вода попадает из водохранилища в водо-разделительную установку, которая направляет воду под напором в определённый энергетический элемент, а в добавочной установке в воду добавляют моющие или другие вещества. На втором этаже стоит вакуумная установка и газозаборная установка. Вакуумная установка создаёт вакуум в биоэнергетическом элементе, через неё проходит газ в газо-заборную установку, где он под давлением отправляется, либо в газохранилище, либо на тепловую станцию. На втором этаже есть конденсаторные батареи, которые запасают энергию электрического тока и инвертор преобразующий постоянный ток в переменный. Ток накапливается в конденсаторах после поступает в инвертор и преобразуется в переменный ток, затем отправляется на подстанцию.


Рис.3. Центр управления биоэнергетическими элементами

  1. Центральный пульт управления.
  2. Лестница, лифт.
  3. Батарея конденсаторов, вывод газов.
  4. Внутренние перегородки.
  5. Рельсы для перемещения опорного стержня.
  6. Стена.

 В биоэнергетическом элементе вырабатывается электрический ток, и она имеет такое строение: 6 электродов находятся в 3 раздельных емкостях, в каждой емкости подведены трубы слива лишней воды. На крышке биоэнергетического элемента имеется трубка для создания вакуума т.е. для создания анаэробных условий. Для подогрева элемента имеется пласт с тлеющими личинками, источником горючего является сам газ, вырабатываемый на станции. Она находится под дном биоэнергетического элемента и газ поставляется из газохранилища. Подогрев биоэнергетического элемента можно осуществить подачей теплой воды с тепло-отопительной станции. Электрический ток, вырабатываемый элементом, передается на усилитель, который состоит из системы транзисторов, увеличивающих напряжение тока и уменьшающих потерю энергии при передаче его по проводнику.


Рис 4. Чертёж биоэнергетического элемента.

  1. Механизм приводящий в действие опорный стержень.
  2. Внешняя стена центра управления биоэнергетическими элементами.
  3. Подвижный сцепляющий элемент.
  4. Биоэнергетического элемента.
  5. Опоры аварийного открытия биоэнергетического элемента.

 На подстанцию поступает переменный ток из тепловой станции и центрального отдела сбора и распределения, который пускают на повышающий трансформатор. После поступает к потребителю.

 Рассмотрим затраты необходимые на постройку и обслуживание станции. Для постройки станции необходимы недорогие материалы такие как: бетон, кирпич, металл, стекло, определённое оборудование. Также надо учитывать затраты на оплату рабочих. Для обслуживания станции требуется поставка топлива и оплата зарплат обслуживающего персонала.

Итог самым затратным является постройка станции. На обслуживание станции уходит минимальная сумма, так как топливо является практически бесплатным, а зарплаты для рабочих невысокие из-за их невысокой классификации и число самих рабочих невелико.

 У станции есть четыре основных дохода:

  1. Первое электричество.
  2. Второе горючий газ, например, метан.
  3. Третье вторичные полезные продукты, например, оксид железа.
  4. Удобрение.

Вывод: станция окупит себя в любом случае т.к. основные затраты приходится на её постройку, а дальнейшая ее эксплуатация приносит существенный доход.

Таблица 1. Формулы для расчёта некоторых данных БКПО.

Название

Формула

Описание

 

 

 

 

 

 

Энергетический момент биоэнергетического элемента

 

 

 

 

 

 

 

Q = nQ0/T

Q0 – избыточный потенциал одной бактерии или единицы концентрации;

n – количество бактерий или их концентрация;

T – температурный коэффициент

При Тн>Tи, то Тн/Ти

При Тн<Ти, то Ти/Tн , где:

Тн – температура настоящая

Ти  – температура идеальная 

 Для всех температурных значений берется модуль числа.

Q = mQm/T, где:

m – масса бактерий;

Qm – электрический потенциал бактерий весом один грамм;

Т- температурный коэффициент.

 

 

 

 

Количество вырабатываемой энергии биоэлементом за время

 

 

 

 

 

Еt = njQ0t/T

j – коэффициент деления бактерий;

t – время.

Et = mjQmt/T

Формула - 3

Энергоемкость вещества для биоэлемента:

W = kmв, Где:

k – энергетический коэффициент вещества (биотоплива);

mв – масса вещества.

Энергоемкость вещества для биоэлемента

W = kmв

k – энергетический коэффициент вещества (биотоплива);

mв – масса вещества.

Время работы биоэлемента

t = kmвT/njQ0

t =  WT/mQm

 

КПД биоэнергетической станции

 

n=W/E

 

 

Заключение

В данной статье представлена лучащая концепция реализации биоэнергетики в виде биоэнергетического комплекса по переработке отходов. Если рассмотреть БКПО, как электрическую станцию, то станет понятна её низкое КПД. Любая тепловая станция будет значительно эффективней и мощней.

Перспективы развития БКПО, как комплекса по переработки отходов весьма сомнительны. Переработка отходов занимает много времени, и дальнейшая перезагрузка микробного энергетического элемента может столкнуться с проблемами. Для ускорения переработки отходов и повышения энергетической эффективности можно прибегнуть к генной инженерии. ГМО бактерии могут стать ключевым фактором, что сможет вывести БКПО на новый уровень. Исследования и разработка потребуют значительных инвестиций в данный сектор, которых на данный момент нет.

Самым эффективным способом получения энергии являются атомные электростанции. Любые зелёные способы получения энергии будут уступать АЭС в мощности и эффективности и по итогу принесут больше вреда экологии [5].

На данный момент получили широкое распространение биогазовые станции. Биогазовые станции направлены на выработку газа по средством разложения отходов. Они значительно уступают БКПО, но их продолжают строить и инвестировать в данный сектор значительные средства. Сейчас построить биогазовую станцию стоит в среднем 500 миллионов рублей, что является превышением реальной стоимости в 100-90 раз [7].

Популярность экологии становиться причиной неразумных инвестиций, что в итоге приводит к строительству компостных ям ценой в сотни миллионов рублей. Деньги можно было направить на модернизации производств и просветительскую деятельность. Экология – это не зелёная энергия, а ответственное отношение к ресурсам и планете.     

Список литературы/ References

1.Френкель Е.Н – Самоучитель. Органическая химия. 2018 год. 414 с.

2.Ветошкин Александр Григорьевич – Учебное пособие.  Технические средства инженерной экологии. 2018 год. 424 с.

3.Панчин Александр Юрьевич. Сумма биотехнологии. 2015 год. 432 с.

4.Г.Г. Шлегель. Общая микробиология. 2012 год. 568 с.

5.Оскар Вамбугу. Развитие "зеленой" энергетики в сельских пейзажах. 2020 год. 100 с.

6.Статью об исследованиях Вилли Верстрет. [Электронный ресурс]. 2019. URL:https://www.researchgate.net/publication/299871308_Anaerobic_Digestion_About_Beauty_and_Consolation

7.Статья о биогазовых станциях. 2018 URL: https://mikhed.ru/world/2015-08-Biogas-Powerplant-Luchki.html