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그림 1. 중국 고정형 돔 바이오디제스터

바이오가스 는 약 50-75% 메탄, 25-50% C0 ₂ , 0-10% 질소 및 0-1% 수소 의 혼합물입니다 . 가스는 비료 및 식물 재료 와 같은 혐기성으로 부패하는 유기물에서 생성됩니다 . ^[1] 이 가스는 인공적으로 만들어졌기 때문에 지구 표면 아래에서 형성되고 주로 메탄으로 구성된천연 가스 와 구별됩니다.

구성

가스는 다음으로 구성됩니다.

• 메탄: 54 – 70%
• 이산화탄소: 27 – 45%
• 질소: 0.5 – 3%
• 수소: 1 – 10%
• 일산화탄소: 0.1%
• 산소: 0.1%
• 황화수소: 흔적 ^[2]

생산

바이오가스는 미생물 활동에 의해 유기물이 분해되는 혐기성 소화 로 알려진 과정을 통해 생성되며 이름에서 알 수 있듯이 공기가 없는 상태에서 발생하는 과정입니다. 연못 이나 습지 의 바닥에서 자연적으로 발생하는 현상으로 습지 가스나 가연성 가스인메탄을 발생시킨다 .

바이오가스를 얻기 위해 인간이 만든 두 가지 일반적인 기술이 있습니다. 첫 번째(더 널리 퍼져 있음)는 특수 설계된 소화조 에서 인간 및/또는 동물 폐기물의 발효입니다 . 두 번째는 도시 폐기물 매립지에서 메탄을 포집하기 위해 최근에 개발된 기술입니다. 단순한 바이오가스 플랜트의 규모는 소규모 가정용 시스템에서 수천 입방미터의 대형 상업용 플랜트에 이르기까지 다양합니다. 대형 상업용 생물 소화기(예: 축산업 에서 나온 동물 배설물을 먹임)소(및 유사한 동물)의 거름에는 인간보다 훨씬 더 많은 휘발성 고형물이 포함되어 있기 때문에 일반적으로 가정용 생물 소화기보다 훨씬 더 효율적입니다. 또한 국내 시스템에서 사용할 수 있는 적은 양의 대변과 식물 물질 문제가 있습니다. 즉, 훨씬 적은 가스가 생성되어 전기 생산과 같은 특정 목적에 덜 분명한 방법입니다.

바이오가스를 만들기 위한 원료

이론상으로는 초목만 사용하는 것이 가능하지만 대부분의 생물 소화기는 분뇨와 초목의 혼합물로 작동됩니다. 초목에 대한 소화 시작은 쉽게 소화되는 거름에 비해 훨씬 더 어렵습니다. 이것은 분뇨를 포함함으로써 생물 소화기의 작동에 필요한 미생물 유기체의 지속적인 신선한 투입이 있습니다. ^[3] 따라서 대부분의 생물 소화조에서 사용되는 미생물은 사용된 거름에서 발견되는 미생물과 동일합니다. 식물 재료 외에, 즉 정원에서 나온 것; 곡물과 기름을 제거한 케이크(예: Jatropha, Pongamia,...)가 때때로 추가됩니다.

사용되는 분뇨의 유형 또한 매우 중요합니다. 특히 "휘발성 고형물"(VS)(박테리아가 소화할 수 있고 가스 생산에 사용할 수 있는 물질이 수집됨)이 많은 거름은 총 거름의 양과 관련하여(VS) 바이오가스를 생성합니다. . 소 분뇨는 휘발성 고형물이 매우 많고 말, 돼지, 사람 및 닭 분뇨는 휘발성 고형물이 훨씬 풍부합니다. 정확한 수(및 생산된 거름/일의 양은 다음과 같습니다.

• 소: 평균 52파운드를 떨어뜨립니다. 그 중 약 10파운드는 고형물이고 나머지는 물입니다. 10파운드의 고형물 중 80% 또는 8파운드. 휘발성이며 기체로 변할 수 있습니다.
• 말: 하루 평균 36파운드의 배설물을 생성하며 그 중 5.5파운드. 휘발성 고체입니다.
• 돼지: 7.5파운드를 생산합니다. 하루에 0.4파운드가 휘발성 고체입니다.
• 인간: 하루에 0.5파운드의 대변을 생성하며 그 중 0.13파운드는 휘발성 고체입니다.
• 닭은 하루에 0.3파운드를 생산하며 0.06파운드는 휘발성 고체입니다.

가정용 주방 쓰레기는 4인 가족이 하루에 세 끼를 요리하기에 충분한 바이오 가스를 생산할 수 있는 잠재력이 있으며 설거지를 위해 물을 데우기에 충분한 양을 남길 수 있습니다. (아래 ARTI 링크 참조)

소스 재료 혼합

습식 분해 공정 에서는 원료를 결합할 때 적절한 탄소/질소(C/N) 비율이 달성되도록 주의를 기울여야 합니다(일반 퇴비화와 유사). 공정은 탄소 30부당 질소 1부를 필요로 합니다. 거름은 질소가 풍부하여 각 부분의 질소에 대해 평균적으로 약 15개의 탄소가 포함되어 있으므로 모든 연구에서 거름과 함께 약간의 탄소 물질을 포함함으로써 가스 생산이 상당히 증가한다는 것을 보여줍니다. 소변이 대변에 포함되어 있으면 동물 배설물에서 질소 비율이 훨씬 더 높아질 수 있습니다. 따라서 소변과 대변을 분리하여 대변만 사용하는 것이 좋습니다.

예를 들어, 곧은 닭 거름은 거름 1파운드당 5입방피트의 가스만 생성하지만 종이 펄프와 혼합된 닭 거름은 사용된 거름 1파운드당 8입방피트의 가스를 생성합니다. 젖소 분뇨는 파운드당 1.5입방피트의 가스만 생성하지만, 예지된 잔디와 혼합된 젖소 분뇨는 분뇨 1파운드당 4.5입방피트의 가스를 생성합니다.

건식 소화 라는 또 다른 방법이 있습니다 . 이 공정은 거름을 전혀 사용하지 않으므로 거름을 처리할 필요가 없는 특정 용도에 더 적합합니다. 혐기성 소화를 참조하십시오 .

가스 정제

가스는 발전기에 사용하기 위해 더 정제될 수 있습니다. 가스의 메탄은 또한 가스의 효능을 증가시키기 위해 분리될 수 있습니다.

이산화탄소 분리

이산화탄소 (CO ₂ )는 바이오가스에 존재합니다. 이것은 연료로서의 성능을 감소시킵니다. 메탄의 비중은 공기의 무게 대비 약 0.55이므로 수소와 마찬가지로 상승한다. 반면에 이산화탄소는 공기 무게의 두 배입니다. 수직 가스 용기 내에서 가스가 가라앉으면 자연스럽게 분리되고 가연성 가스가 위로 올라갑니다. 이 사실은 좋은 디자인은 수직 가스 홀더의 바닥에 페트콕이 있어야 함을 시사합니다. 축적된 이산화탄소를 배출하는 데 사용하십시오.

이산화탄소 제거

이산화탄소도 제거할 수 있습니다. ^[4]

이를 수행하는 방법은 다음과 같습니다.

• 더 낮은 성능을 수용하십시오. 여전히 작업을 수행하고 번거로움을 많이 줄일 수 있습니다. 이는 매우 작은 응용 프로그램에 가장 적합한 옵션일 수 있습니다.
• 유황으로 CO ₂ 스크럽 - 예: 바이오가스 CO2 스크러빙 프로젝트 참조
• 미래에는 플라스틱 분자 스펀지와 같은 분리 기술을 사용할 수 있습니다. ^[5]

황화수소 제거

황화수소 ^W (H ₂ S, "썩은 계란 가스"라고도 함)는 혐기성 소화의 일반적인 생성물입니다. 그것은 불쾌한 냄새를 유발하고 충분히 높은 농도에서는 매우 유독할 수 있습니다. (치명적이 되기 훨씬 전에 후각을 무감각하게 만듭니다. 따라서 냄새를 맡을 수 있다면 아직 치명적이지 않은 것입니다.)

황화수소는 부식성이 있으며 일부 강철을 부서지기 쉽게 만듭니다. 즉, 상당한 양이 있는 경우 가스가 장비, 특히 철 또는 강철 장비를 통과하기 전에 제거하는 것이 중요합니다. (다른 재료는요? 아주 약산성일 뿐이라 철이 문제를 일으키는 산성도는 아닌 것 같습니다.

생물소화제를 이용한 생산

그림 1. 중국 고정형 돔 바이오디제스터

그림 2. 인도식 플로팅 커버 바이오다이제스터

소규모 DIY 소화조

소화조의 두 가지 대중적인 단순한 설계가 개발되었습니다. 고정 돔 생물 소화기(즉, 중국 고정 돔 소화기 ) 및 플로팅 드럼 생물 소화기(즉, 인도 플로팅 커버 바이오가스 소화기 ). 언급된 예는 그림 1과 2에 나와 있습니다. 소화 과정은 두 소화조에서 동일하지만 가스 포집 방법은 각각 다릅니다. 플로팅 커버형은 소화조의 수밀 커버가 가스 발생에 따라 상승하여 저장실 역할을 하는 반면, 고정 돔형은 가스 저장 용량이 낮아 가스 누출을 방지하기 위해 밀봉이 잘 되어야 함 . 둘 다 동물의 배설물이나 배설물과 함께 사용하도록 설계되었습니다.

폐기물은 유입 파이프를 통해 소화조로 공급되고 분해실에서 분해됩니다. 공정의 생성물은 일반적으로 6:4 비율의 메탄과 이산화탄소의 조합입니다. 분해 시간은 공급원료와 분해 온도에 따라 몇 주에서 몇 달까지 다양합니다. 잔류 슬러리는 배출구에서 제거되며 비료 로 사용할 수 있습니다 .

단열재

바이오가스 생산 공정의 온도는 매우 중요합니다. 메탄 생성 박테리아는 95°F에서 100°F(또는 약 35°C) 사이의 온도에서 가장 효율적으로 작동합니다. 더 추운 기후에서는 박테리아가 기능을 수행하도록 열을 챔버에 추가해야 할 수 있습니다. 겨울에 온도가 5°C(40°F) 이하로 떨어지는 곳에서는 생성된 가스의 약 20%가 소화조를 가열하고 소화 물질을 유지하는 데 필요합니다. 따라서 적절한 절연이 필요합니다.

단열재는 탱크 아래(탱크와 지면 사이)뿐만 아니라 탱크 주변 전체에 적용되어야 합니다. 이는 표면 아래 몇 피트 아래의 지면 온도가 50°F – 55°F로 비교적 일정하게 유지되기 때문에 탱크에서 따뜻함을 유도하는 방열판 역할을 합니다. (바람으로 인한 냉각을 줄이기 위해) 탱크를 땅 속으로 파는 것이 가능하지만 토양과 탱크 자체 사이에 공간을 열어 두는 것이 가장 좋습니다.

용도

동물 및 인간 배설물을 바이오가스로 소화하는 데는 여러 가지 용도가 있습니다.

• 요리 연료로 사용하기 위한 바이오가스 또는 순수 메탄 생산 .
• 폐기물은 이상적인 비료를 만드는 높은 영양분 함량을 가진 슬러리로 감소합니다. 어떤 경우에는 이 비료가 소화조의 주요 제품이고 바이오가스는 단지 부산물일 뿐입니다. 바이올이라고 합니다.
• 소화 과정에서 분뇨의 박테리아가 죽기 때문에 환경 건강에 큰 도움이 됩니다.

바이오가스는 많은 국가에서 요리 및 조명용 으로 잘 알려진 연료 이며, 액체 바이오연료 개발의 주요 동기 요인 은 석유 연료를 대체하려는 노력이었습니다.

소규모 바이오가스 소화조는 일반적으로 가정용 조명 및 요리용 연료를 제공합니다. 이들은 작은 단위이며 매일 몇 입방 미터의 바이오 가스를 생성하여 온 가족이 충분한 요리 가스를 제공합니다. 몇 m³ 이상의 바이오가스를 생성하는 바이오 소화기를 사용할 때 전기를 생성하는 발전기를 구입하는 것이 경제적으로 흥미롭지만 요리 연료만큼 효율적이지는 않습니다.

이것은 열기관을 작동시키기 위한 연료로도 사용할 수 있지만 비교 가능한 가스(예: 순수 메탄 )보다 훨씬 덜 강력하며 일반적으로 고정식 열기관에만 사용됩니다. ^[6] 차량 엔진은 일반적으로 (압축된) 메탄 또는 또 다른 유형의 연료를 더 잘 사용합니다 . 바이오가스는 연소를 위해 엔진에 주입되는 공기에 바이오가스를 도입하여 디젤 엔진에 사용할 수 있으며, 이를 통해 디젤 가스 사용을 줄일 수 있습니다.

전기를 생산하기 위해 IC 엔진에 사용

대부분의 가정 에서는 400와트 ~ 5000와트(1.4 ~ 8HP) 범위의 휴대용 발전기 세트 (교류 발전기 또는 다이나모와 결합된 IC 엔진)를 사용합니다. 바이오가스를 사용하는 데 사용되는 발전기 세트는 프로판 가스 또는 천연 가스를 사용하는 것과 동일합니다. ^[7]그들은 단순한 가솔린(디젤이 아님) 엔진입니다. 필요한 발전기 세트의 크기를 결정하려면 먼저 현재 전기 요금을 검토해야 합니다. 일일 전력 소비량을 알아보세요. 하루에 20KWhr를 소비하는 경우 4시간 동안 작동하는 5KW 발전기 또는 10시간 동안 작동하는 2KW 발전기가 필요합니다. 발전기 세트는 각 KWhr를 생성하기 위해 약 0.5-0.9m³의 바이오가스를 소비합니다. 따라서 2KW 발전기 세트가 있는 경우 매시간 약 1.2m³의 바이오가스를 소비합니다. 따라서 10시간 동안 가동하면 12m³의 바이오가스가 필요합니다. 이는 약 20마리의 젖소의 신선한 거름에서 생성되는 가스의 양입니다. 대부분의 시스템은 젠셋에서 생성된 전력을 저장하기 위해 배터리 팩을 사용합니다. 배터리를 전혀 사용하지 않는 것은 가능하지만 발전기 세트(HP)의 정확한 치수가 필요합니다.

휴대용 발전기 세트는 항상 휘발유로 시동한 다음 바이오가스로 전환하기 전에 휘발유로 1분 동안 작동해야 합니다. 엔진이 예열되면 엔진은 전적으로 바이오가스로 작동합니다. 가솔린 엔진의 가스 소비량은 디젤 이중 연료 엔진의 약 60%이므로 가솔린 엔진을 사용하는 바이오가스에서 더 많은 전력을 얻을 수 있습니다. 발전기는 종료하는 동안 가솔린 모드로 전환해야 합니다. 이렇게 하면 엔진에서 바이오가스를 세척하는 데 도움이 됩니다.

장점과 단점

장점 ^{[ 검증필요 ]}

• 실내 공기 오염 및 삼림 벌채 감소
• 요리에 가스를 사용하면 장작을 모으고 요리하는 데 걸리는 시간이 줄어듭니다.
• 작동 및 유지 보수가 거의 필요하지 않음
• 기후 변화에 기여하는 배출량 감소

단점 ^{[ 검증 필요 ]}

• 충분한 에너지를 생산하지 못할 수 있음
• 다른 유형의 에너지가 아닌 가스만 대체할 수 있음
• 보관이 어려울 수 있습니다
• 추운 기후에서 좋은 결과를 얻기가 어렵습니다.

소송 비용

바이오가스 플랜트의 비용은 규모와 건축 자재에 따라 $150-200/m³입니다. 대부분의 건설 장소에서 정부 보조금 및 대출을 이용할 수 있습니다. 발전기 비용은 $700-1500입니다. 필요한 다른 구성 요소는 가스 계량기, 압력계, 유량계, KWhr 계량기, 전류 계량기 및 전압 계량기와 같은 모니터링 장비입니다. 바이오가스 플랜트의 소화를 모니터링하기 위해 pH 측정기와 온도계도 필요합니다.

개발도상국에서의 채택

일부 국가에서는 대규모 바이오가스 프로그램을 시작했으며 탄자니아가 그 예입니다. 탄자니아 모델은 그리드 기반 전기 및 비료 생산을 위해 도시 및 산업 폐기물에서 통합 자원 회수를 기반으로 합니다.

농촌 지역의 소규모 바이오가스 생산은 현재 특히 중국과 인도와 같은 국가에서 잘 확립된 기술입니다. 1993년 말에 약 550만 농가에 바이오가스 소화조가 있었고 연간 생산량은 약 12억 입방미터의 메탄과 3500kW의 바이오가스 연료 전기 발전소가 설치 되었습니다 . 인도에서는 가스화 기술의 개발 및 보급이 널리 퍼져 있으며 관개 펌프 및 마을 전기 공급과 같은 다양한 농촌 에너지 요구를 충족시키는 데 사용됩니다.

케냐는 상업용 에너지 수요의 75%를 수입 석유에 의존하고 있습니다. 1980년에 외부 통제 연료원에 대한 높은 수준의 의존도를 줄이기 위한 노력의 일환으로 케냐 정부는 특별 에너지 프로그램(SEP)을 수립했습니다. 프로그램의 한 측면은 바이오가스 플랜트 기술의 도입 및 보급이었습니다. 교육 기관과의 작업 시작이 부진한 후 프로그램은 민간 부문에서 일하는 지역 장인과 상업 매장으로 바뀌었습니다. 석공과 배관공에게 실습 교육이 제공되었으며 개인 상인은 조리기 및 조명과 같은 가전 제품을 제조하고 비축하도록 권장되었습니다. 1995년까지 케냐에 설치된 발전소의 수는 880개로 추정되었습니다.

노트

바이오매스 가스화는 분명히 다른 과정입니다. 바이오매스 가스화를 참조하십시오 . Bio Diesel은 또한 분명히 다른 프로세스입니다.

또한보십시오

• 바이오다이제스터 설계
• 열가수분해: 대규모 시설, 즉 하수 처리 시설에서 바이오가스 생산에 사용되는 대체 공정 ; 예시 프로젝트는 rwzi Apeldoorn, Waterschap Aa en Maas입니다 ^[8]
• 혐기성 소화

참조

서지

• Anonymous(Office of the Leading Group for the Propagation of Marshgas), A Chinese Biogas Manual , 1981. 중국의 바이오가스 생산에 관한 고전 작업으로 소규모 지하 소화조 건설을 보여줍니다.
• Gunnerson CG 및 Stuckey DC, 혐기성 소화 - 바이오가스 시스템의 원리 및 사례 . World Bank Technical Paper No 49, The World Bank, 1986. 좋은 개요입니다.
• Gitonga, Stephen, 케냐의 바이오가스 홍보. 중간 기술 케냐, 1997.
• Fulford, David, Running a Biogas Programme: A Handbook , Practical Action Publications, 1988(업데이트 중). 지역 또는 국가 전체의 바이오가스 프로그램 관리에 대한 좋은 정보와 바이오가스 버너 설계에 대한 좋은 기술 정보를 제공합니다.
• House, David, The Complete Biogas Handbook , 2007년 개정. 매우 광범위한 작업. 다운로드할 수 있는 여러 챕터가 있습니다.
• Ravindranath, NH 및 Hall, DO, 바이오매스, 에너지 및 환경: 인도의 개발도상국 관점. 옥스포드 대학 출판부, 1995.
• Karekezi, S. 및 Ranja, T., 아프리카의 재생 가능 에너지 기술. 애프리펜, 1997.
• Kristoferson LA 및 Bokalders V., 재생 에너지 기술 - 개발 도상국에서의 적용. ITDG 출판, 1991.
• Johansen, TB 외, 연료 및 전기를 위한 재생 가능 에너지원. 아일랜드 프레스, 워싱턴 DC, 1993.
• Gunnerson CG 및 Stuckey DC, 혐기성 소화 - 바이오가스 시스템의 원리 및 사례. World Bank Technical Paper No 49, The World Bank, 1986.
• Gitonga, Stephen, 케냐의 바이오가스 홍보. 중간 기술 케냐, 1997.
• Stassen, HE, 열 및 전력용 소규모 바이오매스 가스화기: 글로벌 리뷰. 세계은행 기술문서 No. 296, 에너지 시리즈 1995.
• Quaak, P., Knoef, H. 및 Stassen, HE, 바이오매스 에너지: 연소 및 가스화 기술 검토. 세계은행 기술문서 No. 422, 에너지 시리즈 1999.
• Anderson, T., Doig, A., Rees, D. 및 Khennas, S., Rural Energy Services: 지속 가능한 에너지 개발을 위한 핸드북. ITDG 출판, 1999.

외부 링크

• 위키백과:바이오가스
• http://www.rebelwolf.com/essn/ESSN-Oct2005.pdf
• Al Rutan의 바이오 다이제스터 매뉴얼
• 바이오가스헬프라인; Hemant Thite가 감독하고 문제에 관한 책을 판매합니다.
• 빌드잇솔라; 바이오가스
• 비디오: Altiplano에 저비용 바이오다이제스터 설치. 볼리비아
• 동영상: 산업용 2단계 바이오가스 플랜트. 독일
• 케냐 빈민가의 바이오 화장실 .
• 바이오 연료 라이브러리
• 바이오가스 FAQ
• 주로 인도, 중국, 네팔 및 아프리카에서 바이오가스 프로젝트에 대한 간략한 개요
• Village Earth: 에너지: 바이오가스
• ARTI: 음식물쓰레기 바이오가스
• Permies.com 의 바이오가스 포럼