References

alternative

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)

1608-8298

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

10.15518/isjaee.2020.09.009

alternative-2008

Research Article

IV. ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА 12. Водородная экономика

IV. HYDROGEN ECONOMY. 12. Hydrogen Economy

Энергетический анализ системы двухстадийной анаэробной переработки жидких органических отходов с получением водород - и метансодержащих биогазов

Energy analysis of the system of two-stage anaerobic processing of liquid organic waste with production of hydrogen- and methane-containing biogases

https://orcid.org/0000-0002-1983-3454

Ковалев

А. А.

Kovalev

A. A.

Ковалев Андрей Александрович - старший научный сотрудник лаборатории биоэнергетических и сверхкритических технологий, кандидат технических наук

109428, РФ, г. Москва, 1-й Институтский проезд, дом 5

тел. +7(926)347-79-55

SPIN: 4267-3026

Researcher ID: F-7045-2017

Scopus Author ID: 57205285134

Andrey A. Kovalev - senior researcher of the laboratory of bioenergy and supercritical technologies, candidate of technical sciences

109428, Moscow, 1st Institutskiy proezd, building 5

tel. +7 (926) 347-79-55

SPIN: 4267-3026

Researcher ID: F-7045-2017

Scopus Author ID: 57205285134

kovalev_ana@mail.ru

ФГБНУ ФНАЦ ВИМРоссияFederal Government Budgetary Institution of Science "Federal scientific agroengeneering centre VIM"Russian Federation

2020

20042021

025-2795106

2021

Международный издательский дом научной периодики "Спейс

https://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNotice

https://www.isjaee.com/jour/article/view/2008

В последние годы внимание общества всё более привлекается к решению двух неразрывно связанных проблем – предотвращению истощения природных ресурсов и охране окружающей среды от антропогенного загрязнения. Годовое потребление отходов животноводства для производства составляет около 240 тыс. м3 в год, что составляет 0,17% от общего объема навоза, производимого на российских сельскохозяйственных предприятиях. В настоящее время фактическое использование органических отходов, потенциально пригодных для производства биогаза, на 2-3 порядка ниже, чем имеющийся потенциал для органических отходов. В настоящее время водородная энергетика приобретает огромную популярность в мире в связи с проблемой истощения невозобновляемых источников энергии – углеводородов, и экологического загрязнения, вызванного их растущим потреблением. Особую перспективу представляет темновой процесс получения водородсодержащего биогаза при переработке органических отходов в анаэробных условиях, который позволяет использовать преимущества, как производства энергии, так и решения проблемы утилизации органических отходов. В работе проведен энергетический анализ системы двухстадийной анаэробной переработки жидких органических отходов с получением водород - и метансодержащих биогазов на основе экспериментальных данных, полученных на лабораторной установке с реакторами с повышенным объемом. Энергетическая эффективность системы находится в пределах 1,91-2,74. Максимальная энергоэффективность наблюдалась при гидравлическом времени удержания в реакторе темновой ферментации 2,5 суток. Затраты электроэнергии на производство 1 м3 водорода составили 1,093 кВт*ч при гидравлическом времени удержания в реакторе темновой ферментации 2,5 суток. При гидравлическом времени удержания в реакторе темновой ферментации 1 сутки, удельные (отнесенные к скорости обработки органических отходов) затраты электроэнергии производство 1 м3 водорода были минимальными в рассматриваемом диапазоне hrt, и составили 26 (Вт/м3 водорода)/(м3 отходов/сут). Таким образом, система двухстадийной анаэробной переработки жидких органических отходов с получением водород- и метансодержащих биогазов является энергетически эффективным способом как получения водорода, так и переработки органических отходов.

In recent years, public attention has been increasingly attracted to solving two inextricably linked problems - preventing the depletion of natural resources and protecting the environment from anthropogenic pollution. The annual consumption of livestock waste for production is about 240 thousand m3 per year, which is 0.17% of the total manure produced at Russian agricultural enterprises. At present, the actual use of organic waste potentially suitable for biogas production is 2-3 orders of magnitude lower than the existing potential for organic waste. Currently, hydrogen energy is gaining immense popularity in the world due to the problem of depletion of non-renewable energy sources - hydrocarbons, and environmental pollution caused by their increasing consumption. Of particular interest is the dark process of producing hydrogen-containing biogas in the processing of organic waste under anaerobic conditions, which allows you to take advantage of both energy production and solving the problem of organic waste disposal. An energy analysis of a two-stage anaerobic liquid organic waste processing system with the production of hydrogen- and methane-containing biogas based on experimental data obtained in a laboratory facility with increased volume reactors was performed. The energy efficiency of the system is in the range of 1.91-2.74. Maximum energy efficiency was observed with a hydraulic retention time of 2.5 days in a dark fermentation reactor. The cost of electricity to produce 1 m3 of hydrogen was 1.093 kW·h with a hydraulic retention time of 2.5 days in the dark fermentation reactor. When the hydraulic retention time in the dark fermentation reactor was 1 day, the specific (related to the processing rate of organic waste) energy costs to produce of 1 m3 of hydrogen were minimal in the considered hrt range, and amounted to 26 (W/m3 of hydrogen)/(m3 of waste/day). Thus, the system of two-stage anaerobic processing of liquid organic waste to produce hydrogen and methane-containing biogas is an energy-efficient way to both produce hydrogen and process organic waste.

двухстадийный анаэробный процесстемновое брожениебиоводородэнергетический анализорганические отходыбиогазметаногенез

two-stage anaerobic processdark fermentationbiohydrogenenergy analysisorganic wastebiogasmethanogenesis

Исследование выполнено при финансовой поддержке ФГБУ «Российский фонд фундаментальных исследований» в рамках научного проекта № 18-29- 25042.

References1

Izmaylov A. Yu., Lobachevskiy Ya. P., Fedotov, A. V., Grigoryev V. S., Tsench Yu. S. AdsorptionOxidation Technology of Wastewater Recycling in Agroindustrial Complex Enterprises. Vestnik mordovskogo universiteta = Mordovia University Bulletin. 2018;28(2):207–221. https://doi.org/10.15507/0236-2910.028.201802.207-221

Artamonov, A.V. & Izmailov, A.Yu & Kozhevnikov, Yu.A. & Kostyakova, Yu.Yu & Lobachevsky, Ya.P. & Pashkin, S.V. & Marchenko, O.S. Effective purification of concentrated organic wastewater from agro-industrial enterprises, problems and methods of solution. AMA, Agricultural Mechanization in Asia, Africa and Latin America. 2018;49:49-53.

Гюнтер, Л.И. Метантенки / Л.И. Гюнтер, Л.Л. Гольдфарб. – М.: Стройиздат, 1991. – 128 с.

Gyunter, L.I. Metantenki / L.I. Gyunter, L.L. Gol'dfarb. – M.: Stroiizdat, 1991. – 128 s.

Ковалев А.А. Повышение энергетической эффективности биогазовых установок. Дис. … канд. техн. наук. М., 2014.

Kovalev A.A. Povyshenie ehnergeticheskoi ehffektivnosti biogazovykh ustanovok. Dis. … kand. tekhn. nauk. M., 2014.

Ковалев А.А. Технологии и техникоэнергетическое обоснование производства биогаза в системах утилизации навоза животноводческих ферм. Дис. док. техн. наук. М., 1998

Kovalev A.A. Tekhnologii i tekhnikoehnergeticheskoe obosnovanie proizvodstva biogaza v sistemakh utilizatsii navoza zhivotnovodcheskikh ferm. Dis. dok. tekhn. nauk. M., 1998

ГОСТ Р 53765-2009. Сырье для производства органических удобрений. Технические условия. – Введ. 2011-01-01. – М.: Стандартинформ, 2010.– 11 с.

GOST R 53765-2009. Syr'e dlya proizvodstva organicheskikh udobrenii. Tekhnicheskie usloviya. – Vved. 2011-01-01. – M.: Standartinform, 2010. – 11 s.

Namsaraev, Z. Analysis of the resource potential of biogas production in the Russian Federation / Z. Namsaraev, Yu. Litti, A. Nozhevnikova // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. - № 1111. – С. 1–5. doi:10.1088/1742-6596/1111/1/012012

Дли, М.И. ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЕ РАЗВИТИЯ / М.И. Дли, А.А. Балябина, Н.В. Дроздова // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – №22. – С. 37–41. https://doi.org/10.15518/isjaee.2015.22.004

Dli, M.I. VODORODNAYA EHNERGETIKA I PERSPEKTIVY EE RAZVITIYA / M.I. Dli, A.A. Balyabina, N.V. Drozdova // Mezhdunarodnyi nauchnyi zhurnal «Al'ternativnaya ehnergetika i ehkologiYA» (ISJAEE). – 2015. – №22. – S. 37–41. https://doi.org/10.15518/isjaee.2015.22.004

Раменский, А.Ю. ВОДОРОД В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА: ПРЕДМЕТ И ЦЕЛИ СТАНДАРТИЗАЦИИ / А.Ю. Раменский// Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – №1. – С. 33–44. https://doi.org/10.15518/isjaee.2015.01.03

Ramenskii, A.YU. VODOROD V KACHESTVE TOPLIVA: PREDMET I TSELI STANDARTIZATSII / A.YU. Ramenskii// Mezhdunarodnyi nauchnyi zhurnal «Al'ternativnaya ehnergetika i ehkologiYA» (ISJAEE). – 2015. – №1. – S. 33–44. https://doi.org/10.15518/isjaee.2015.01.03

Динсер, И., Акар К. ОБЗОР И ОЦЕНКА МЕТОДОВ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА ДЛЯ БОЛЕЕ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ / И. Динсер, К. Акар // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2016. – №(11-12). – С. 14-36. https://doi.org/10.15518/isjaee.2016.11-12.014-036

Dinser, I., Akar K. OBZOR I OTSENKA METODOV PROIZVODSTVA VODORODA DLYA BOLEE USTOICHIVOGO RAZVITIYA / I. Dinser, K. Akar // Mezhdunarodnyi nauchnyi zhurnal «Al'ternativnaya ehnergetika i ehkologiYA» (ISJAEE). – 2016. – №(11-12). – S. 14-36. https://doi.org/10.15518/isjaee.2016.11-12.014-036

Кудрявцев П.Г., Фиговский О.Л. СИСТЕМА ХРАНЕНИЯ И ГЕНЕРАЦИИ ВОДОРОДА ДЛЯ СИЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК И АВТОМОБИЛЕЙ. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2016. – №13-14. С. 46-55. https://doi.org/10.15518/isjaee.2016.13-14.046-055

Kudryavtsev P.G., Figovskii O.L. SISTEMA KHRANENIYA I GENERATSII VODORODA DLYA SI-LOVYKH DVIGATEL'NYKH USTANOVOK I AVTOMOBILEI. Al'ternativnaya ehnergetika i ehkolo-giya (ISJAEE). – 2016. – №13-14. S. 46-55. https://doi.org/10.15518/isjaee.2016.13-14.046-055

Алмогрен С., Везироглу Т.Н. СОЛНЕЧНОВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ САУДОВСКОЙ АРАВИИ. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2018. –№7-9. –С. 30-42. https://doi.org/10.15518/isjaee.2018.07-09.030-042

Almogren S., Veziroglu T.N. SOLNECHNOVODORODNAYA EHNERGETICHESKAYA SISTEMA DLYA SAUDOVSKOI ARAVII. Al'ternativnaya ehnergetika i ehkologiya (ISJAEE). – 2018. – №7-9. –S. 30-42. https://doi.org/10.15518/isjaee.2018.07-09.030-042

Синха П., Гаурав К., Рой Ш., Балахандар Г., Дас Д. Повышение выработки биоводорода с помощью новой стратегии аугментации с использованием различных органических остатков. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2019. – №(34-36). – С.26-40. https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.34-36.026-040

Sinkha P., Gaurav K., Roi SH., Balakhandar G., Das D. Povyshenie vyrabotki biovodoroda s pomoshch'yu novoi strategii augmentatsii s ispol'zovaniem razlichnykh organicheskikh ostatkov. Al'ternativnaya ehnergetika i ehkologiya (ISJAEE). – 2019. – №(34-36). – S.26-40. https://doi.org/10.15518/isjaee.2019.34-36.026-040

Голуб, Н.Б. ПОВЫШЕНИЕ ВЫХОДА ВОДОРОДА ПРИ СОВМЕСТНОЙ КОНВЕРСИИ СЫРЬЯ РАЗНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ / Н.Б. Голуб // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2014. – №19. – С. 53– 57.

Golub, N.B. POVYSHENIE VYKHODA VODO-RODA PRI SOVMESTNOI KONVERSII SYR'YA RAZNOGO PROISKHOZHDENIYA / N.B. Golub // Mezh-dunarodnyi nauchnyi zhurnal «Al'ternativnaya ehnergetika i ehkologiYA» (ISJAEE). – 2014. – №19. – S. 53–57.

Голуб, Н.Б. ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ СУБСТРАТА НА ОБРАЗОВАНИЕ ВОДОРОДА В ПРОЦЕССЕ ФЕРМЕНТАЦИИ / Н.Б. Голуб // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2014. – №15. – С. 107–112.

Golub, N.B. VLIYANIE KONTSENTRATSII SUBSTRATA NA OBRAZOVANIE VODORODA V PROTSESSE FERMENTATSII / N.B. Golub // Mezhdunarodnyi nauchnyi zhurnal «Al'ternativnaya ehnergetika i ehkologiYA» (ISJAEE). – 2014. – №15. – S. 107–112.

Marone, A. Coupling dark fermentation and microbial electrolysis to enhance bio-hydrogen production from agro-industrial wastewaters and by-products in a bio-refinery framework / А. Marone [et al.]. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – №42 (3). – Рр. 1609–1621.

Marone, A. Coupling dark fermentation and microbial electrolysis to enhance bio-hydrogen production from agro-industrial wastewaters and by-products in a bio-refinery framework / A. Marone [et al.]. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – №42 (3). – Rr. 1609–1621.

A.A. Kovalev et al. Biohydrogen production in the two-stage process of anaerobic bioconversion of organic matter of liquid organic waste with recirculation of digister effluent, International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – №45(51). – Рр.26831-26839. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.07.124.

A.A. Kovalev et al. Biohydrogen production in the two-stage process of anaerobic bioconversion of organic matter of liquid organic waste with recirculation of digister effluent, International Journal of Hydrogen Energy. – 2020. – №45(51). – Rr.26831-26839. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.07.124 .

Ковалев А.А., Ковалев Д.А., Литти Ю.В., Катраева И.В. Производство биоводорода в двухстадийном процессе анаэробной биоконверсии органического вещества жидких органических отходов с рециркуляцией эффлюента метантенка. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). – 2020. – №(7-18). – С.87-100. https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.07-18.87-100

Kovalev A.A., Kovalev D.A., Litti YU.V., Katraeva I.V. Proizvodstvo biovodoroda v dvukhsta-diinom protsesse anaehrobnoi biokonversii organi-cheskogo veshchestva zhidkikh organicheskikh otkhodov s retsirkulyatsiei ehfflyuenta metantenka. Al'terna-tivnaya ehnergetika i ehkologiya (ISJAEE). – 2020. – №(7-18). – S.87-100. https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.07-18.87-100

Ножевникова, А.Н. Биотехнология и микробиология анаэробной переработки органическихкоммунальных отходов / А.Н.Ножевникова [и др.]. – М.: Университетская книга, 2016. – 320 с.

Nozhevnikova, A.N. Biotekhnologiya i mikrobiologiya anaehrobnoi pererabotki organicheskikhkommunal'nykh otkhodov / A.N.Nozhevnikova [i dr.]. – M.: Universitetskaya kniga, 2016. – 320 s.

Кевбрина М.В., Николаев Ю.А., Дорофеев А.Г., Ванюшина А.Я., Агарёв А.М. Высокоэффективная технология метанового сбраживания осадка сточных вод с рециклом биомассы. Водоснабжение и санитарная техника. – 2012. – №10. – С. 61.

Kevbrina M.V., Nikolaev YU.A., Dorofeev A.G., Vanyushina A.YA., Agarev A.M. Vysokoehffek-tivnaya tekhnologiya metanovogo sbrazhivaniya osadka stochnykh vod s retsiklom biomassy. Vodosnabzhenie i sanitarnaya tekhnika. – 2012. – №10. – S. 61.

Ковалев, Д.А. Концепция блочно-модульного постороения биогазовых установок / Д.А. Ковалев, А.А. Ковалев // Труды международной научнотехнической конференции Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. – 2008. – Т. 4. – С. 461-466.

Kovalev, D.A. Kontseptsiya blochno-modul'nogo postoroeniya biogazovykh ustanovok / D.A. Kovalev, A.A. Kovalev // Trudy mezhdunarodnoi nauchnotekhnicheskoi konferentsii Ehnergoobespechenie i ehnergosberezhenie v sel'skom khozyaistve. – 2008. – T. 4. – S. 461-466.

Nathao, C. Production of hydrogen and methane by one and two stage fermentation of food waste / С. Nathao, U. Sirisukpoka, N. Pisutpaisal // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – №38. – Рр. 15764–15769. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.05.047

Nathao, C. Production of hydrogen and methane by one and two stage fermentation of food waste / S. Nathao, U. Sirisukpoka, N. Pisutpaisal // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – №38. – Rr. 15764–15769. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.05.047

Хорасанов, Г.Л. ВОЗМОЖНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА НА БАЗЕ ЭНЕРГОБЛОКА ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ГРАФИКЕ НАГРУЗОК В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ / Г.Л. Хорасанов, В.В. Колесов, В.В. Коробейников // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2016. – №(5-6). – С. 54-58. https://doi.org/10.15518/isjaee.2016.05-06.005

Khorasanov, G.L. VOZMOZHNOST' PROIZVODSTVA VODORODA NA BAZE EHNERGOBLOKA PRI PEREMENNOM GRAFIKE NAGRUZOK V EHNERGOSISTEME / G.L. Khorasanov, V.V. Kolesov, V.V. Korobeinikov // Mezhdunarodnyi nauchnyi zhurnal «Al'ternativnaya ehnergetika i ehkologiYA» (ISJAEE). – 2016. – №(5-6). – S. 54-58. https://doi.org/10.15518/isjaee.2016.05-06.005

Rand, D. A. J. Fuels – Hydrogen Production: Coal Gasification / D. A. J. Rand, R. M. Dell// Encyclopedia of Electrochemical Power Sources. – 2009. – С.276–292.

Rand, D. A. J. Fuels – Hydrogen Production: Coal Gasification / D. A. J. Rand, R. M. Dell// Encyclopedia of Electrochemical Power Sources. – 2009. – S.276–292.

Acar, C. A Review on Selected Heterogeneous Photocatalysts for Hydrogen Production / C. Acar, I. Dincer, C. Zamfirescu // International Journal of Energy Research. – 2014. – №38(15). – С. 1903–1920. http://dx.doi.org/10.1002/er.3211

Rabbani, M., Efficiency Assessment of a Photoelectrochemical Chloralkali Process for Hydrogen and Sodium Hydroxide Production / M. Rabbani, I. Dincer, G. F. Naterer // International Journal of Hydrogen Energy. – 2014. – №39. – С. 1941–1956.

Acar, C. Analysis and Assessment of a Continuous-Type Hybrid Photoelectrochemical System for Hydrogen Production / C. Acar, I. Dincer // International Journal of Hydrogen Energy. – 2014. – №39. – С. 15362–15372. doi :10.1016/j.ijhydene.2014.07.146.

Acar, C. Analysis and Assessment of a Continuous-Type Hybrid Photoelectrochemical System for Hydrogen Production / C. Acar, I. Dincer // International Journal of Hydrogen Energy. – 2014. – №39. – S. 15362–15372. doi :10.1016/j.ijhydene.2014.07.146.

Koutrouli, E. K. Hydrogen and Methane Production through Two-stage Mesophilic Anaerobic Digestion of Olive Pulp / E. K. Koutrouli, [et all.]// Bioresource Technology. – 2009. – №100. – С. 3718–3723.

Das, D. Advances in Biological Hydrogen Production Processes / D. Das, T. N. Veziroglu //International Journal of Hydrogen Energy. – 2008. – №33. – С. 6046–6057.

Das, D. Advances in Biological Hydrogen Production Processes / D. Das, T. N. Veziroglu //International Journal of Hydrogen Energy. – 2008. – №33. – S. 6046–6057.

Hallenbeck, P. C. Strategies for Improving Biological Hydrogen Production / P. C. Hallenbeck, M. Abo-Hashesh, D. Ghosh // Bioresource Technology. – 2012. – №110. – С. 1–9.

Hallenbeck, P. C. Strategies for Improving Biological Hydrogen Production / P. C. Hallenbeck, M. Abo-Hashesh, D. Ghosh // Bioresource Technology. – 2012. – №110. – S. 1–9.

Holladay, J. D. An Overview of Hydrogen Production Technologies / J. D. Holladay [et al.] // Catalysis Today. – 2009. – №139. – С. 244–260.

Holladay, J. D. An Overview of Hydrogen Production Technologies / J. D. Holladay [et al.] // Catalysis Today. – 2009. – №139. – S. 244–260.

Kotay, S. M. Biohydrogen as a Renewable Energy Resource - Prospects and Potentials / S. M. Kotay, D. Das // International Journal of Hydrogen Energy. – 2008. – №33. – С. 258–263.

Kotay, S. M. Biohydrogen as a Renewable Energy Resource - Prospects and Potentials / S. M. Kotay, D. Das // International Journal of Hydrogen Energy. – 2008. – №33. – S. 258–263.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.