Биогаз: генерален план на предприятия от централизиран тип

Abstract

In Bulgaria there is favorable conditions to be build hundreds of “farmer” and “centralized” biogass plants. This will require qualitative changes in the environment and areas of their construction. These plants have a strong socio-economic impact – they will create new jobs and will integrate energy agriculture, water and transport sectors. The architectural potential is locked in its specific forms and volumes of its basic facilities, whose composition and integration in the natural and urban environment will provoke a lot of architects. Due to this public concern we are obligated to take care of “the face” of the future biogas plants in the context of the sustainable development.

Full text

ХII МЕЖДУНАРОДНА НАУЧНА КОНФЕРЕНЦИЯ ВСУ’ 2012
12th INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE VSU' 2012
I - 1
БИОГАЗ: ГЕНЕРАЛЕН ПЛАН НА ПРЕДПРИЯТИЯ
ОТ ЦЕНТРАЛИЗИРАН ТИП.
Стефан Аспарухов1, Цветан Симеонов2
Университет по архитектура, строителство и геодезия – гр. София
BIOGAS: CENTRALISED PLANTS’ MASTERPLAN.
Stefan Asparuhov, Tsvetan Simeonov
University of Architecture, Civil Engineering and Geodesy – Sofia.
Abstract: In Bulgaria there is favorable conditions to be build hundreds of “farmer” and
“centralized” biogass plants. This will require qualitative changes in the environment and
areas of their construction. These plants have a strong socio-economic impact – they will
create new jobs and will integrate energy agriculture, water and transport sectors. The
architectural potential is locked in its specific forms and volumes of its basic facilities,
whose composition and integration in the natural and urban environment will provoke a lot
of architects. Due to this public concern we are obligated to take care of “the face” of the
future biogas plants in the context of the sustainable development.
1. Въведение
Биогазът е горивен газ, който се получава при ферментационни процеси в анаеробна
(безкислородна) среда на биологични продукти. Неговото производство е ефективна
мярка за намаляване зависимостта на България от вноса на изкопаеми горива и
представлява ефективно средство за ограничаване емисиите на метан и на други вредни
газове, оказващи неблагоприятно въздействие върху околната среда. Биогазът е
възобновяемо гориво, ето защо в някои части на света се субсидира неговото
производство [11].
Генералният план на промишлените предприятия за производство на биогаз
представлява комплексно решение на планировката, застрояването и благоустрояването
на заводската територия [1]. Неговата ясна композиция и компактност са основа за
оптимизацията на инвестиционните разходи в етапите на изграждане и експлоатация на
мощностите.
2. История
През 1821 г. италианският физик и химик Амадео Авогадро описва за пръв път
химическия състав на биогаза. През втората половина на XIX век във Франция се правят
1 Стефан Валтеров Аспарухов, архитект, докторант в УАСГ, бул. „Христо Смирненски 1”, каб.. 719,
e-mail: asparuhov_stefan@abv.bg
2 Цветан Михайлов Симеонов, доцент в УАСГ, доктор, арх., бул. „Христо Смирненски 1”, каб. 719,
e-mail: simeonov_zm@mail.bg

ХII МЕЖДУНАРОДНА НАУЧНА КОНФЕРЕНЦИЯ ВСУ’ 2012
12th INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE VSU' 2012
I - 2
задълбочени анализи за разбиране на процесът на безкислородна ферментация, а от 20-те
години на XX век до края на II Световна война в Германия се изграждат първите
инсталации за биогаз от пречистване на отпадни води. През 1947г. немският инженер
Карл Имхоф, твърдейки, че отпадъците и животинския тор имат по-голям енергиен
потенциал поставя нов подход в сектора. През 1950 г. в гр. Целе (Долна Саксония) е
открито първото голямо предприятие за производство на биогаз. От 1955г. до петролната
криза през 1970г. интересът към това производство намалява. По-високите цени за
депониране на отпадъци и въвеждането на нормативни изисквания за управлението и
рециклирането им налага внедряване на нови технологии в производството. До края на
90-те в Европа са изградени над 100 големи предприятия за биогаз от отпадъци: в
Германия - над 40, Дания – 22, Швейцария - 10, Австрия - 10 и Швеция - 9 [3].
След 2000г. изискванията за енергиина ефективност и субсидиите за стимулиране
на употребата на ВЕИ доведоха до интензивно повишаване на броя на биогаз
предприятията в страните от цяла Европа. В Германия например с прилагането на новия
Закон за възобновяема енергия след 2009г. броя на предприятията за биогаз е нараснал от
3 900 през 2008 г. на 7 100 през 2011 г.[10].
3. Потенциал за производство на биогаз в България
Производството на енергия от биомаса има най-голям дял от достъпните
възобновяеми енергийни източници в България [5]. Страната ни има потенциал за
изграждане на поне 500 MW мощности за производство на електроенергия от биомаса -
еквивалентни на 100 предприятия с мощност по 5 MW [9]. Подходящи за производство
на биогаз в България са шест класа органични суровини: 1) енергийни култури, 2)
отпадъци от селското стопанство, 3) отпадъци от животновъдството, 4) отпадъци от ХВП,
5) твърди органични отпадъци и 6) канализационни утайки.
Най-перспективни региони за производство на биогаз от първични и вторични
селскостопански отпадъци са Североизточен и Южен централен. Югозападният регион е
с потенциал за производство на биогаз от твърди битови отпадъци и отпадъчни води [4].
Реалният потенциал от първите четири класа суровини представлява 82% от общия
дял за производство на биогаз, ето защо в настоящата публикация ще отделим внимание
основно върху т.нар. биогаз предприятия от централизиран тип.
4. Технология и видове инсталации
Производството започва с подготовка на субстрата, която се извършва в приемен
резервоар. Оттам чрез захранващо съоръжение масата се подава до биореактора
(ферментора), който е основното тяло на биогазовата инсталация. Това подаване се
извършва чрез помпени съоръжения. През устройство за отвеждане ежедневно напуска
ферментатора еквивалентно количество ферментирала биомаса и постъпва в
торохранилище. Полученият биогаз преминава през пречиствателно устройство и от
там постъпва в газов двигател, който задвижва генератора за ток, произвеждащ
електрическа енергия. Получената електроенергия задоволява собствените нужди или
се включва в националната енергийна система [8]
Двете основни температурни технологии за ферментация, които намират
приложение в съвременната промишленост са: 1) мезофилна - при строго дефинирана
температура от порядъка на 36°С и 2) термофилна – при 56°С.
Инсталациите за биогаз могат да се класифицират според вида на субстрата като:
(а) използващи за суровина продукти от ферми - животински тор и органични разтвори;
енергийни култури (царевица, тревен силаж), растителни отпадъци, селскостопански
биопродукти и отпадъци и (б) използващи за суровина органични отпадъци -
хранителните отпадъци от заведенията за обществено хранене, общински твърди
отпадъци, и отпадъци от ХВП и фармацевтичната промишленост.

ХII МЕЖДУНАРОДНА НАУЧНА КОНФЕРЕНЦИЯ ВСУ’ 2012
12th INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE VSU' 2012
I - 3
Според мащаба и целите на производство на биогаза те биват: (1) Фамилен тип; (2)
Фермерски тип; (3) Централизиран тип за ко-ферментация; (4) Индустриален тип и (5)
Инсталации за получаване на сметищен газ.
В контекстът на потенциала в България анализирахме генералните планове и
композиционните елементи на предприятия от централизиран тип за ко-
ферментация.
Централизираното ко-ферментиране е концепция за производство на биогаз,
основана на използването на оборски тор и течни фракции, събирани от няколко съседни
ферми. Централизираните инсталации за биогаз се строят с цел намаляване на разходите,
времето и работната сила за транспортиране на тора към нея. Към органичния тор могат
да бъдат подадени различни видове подходящи за биометанизация суровини, като
ферментируеми отпадъци от селското стопанство, от хранителната и рибната
промишленост, от домакинствата и ресторантьорството, от пречиствателните станции и
други. Централизираните инсталации за съвместна ферментация (наречени също
комбинирани инсталации за ко-ферментация) са разработени и широко прилагани в
Дания. Оборският тор, както и неговите разтвори се събират в резервоарите за
предварително съхранение във всяка ферма, след което се транспортират до инсталацията
за биогаз в специални товарни автомобили с вакуумни контейнери. В инсталацията за
биогаз, те се смесват с други ко-субстрати, хомогенизират се и се изпомпват в резервоара
на биореактора. Ферментационният процес се извършва при мезофилен или термофилен
режим.
5. Планировъчни елементи на биогаз предприятие от централизиран тип
Чрез специализирани софтуерни продукти инженерите-технолози извършват
изчисления за капацитетa и геометрията на съоръженията на заводската площадка
последователно - от входa към изходa на технологичния процес според типa на
предприятието, избраната технология, количеството и видa на наличната суровина,
предназначението на крайния продукт и други фактори.
Ролята на архитекта в този процес е водеща за крайния облик на предприятието.
Неговата намеса оказва блгаоприятно влияние върху избора на оптимални форми и обеми
на съоръженията, хармоничното им композиране и повърхностното им третиране.
Типичните композиционни елементи за биогаз предприятия от централизиран тип
са:
Приемен резервоар - вертикален стоманобетонов цилиндър, чиито обем се
изчислява като произведение на дебита на субстрата (m3), времето за престой на субстрата
в него (дни), гъстотата на сусбтрата (kg/m-3) и изчислителен коефициент. Прието е
отношението на височината към диаметъра на приемния резервоар да бъде 2:1 [3].
Силоз за съхранение на ко-ферменти, най-често изпълнен от стоманобетон. Силозите
се разполагат в близост до входа на предприятието. При проектирането няма ограничения
в пропорциите на размерите на съоръжението. Това е потенциален инструмент в ръцете на
архитекта за свободно композиционно решение. Употребата на ко-ферменти е рентабилно,
когато разстоянието за доставянето им е не по-голямо от 15-20 км.
Биореактор (ферментор) - вертикален резервоар с обем от 1000 до 2000 m3 – от
стоманобетон. Височината обикновено е 6м, а диаметърът между 10 и 20м. Неизменна
част от неговото оборудване са отоплителната система, бъркалките, добрата топлинна
изолация и единичната или двойна мембрана на покрива за събиране на биогаза. Когато
обемът на биореактора е между 2000 и 5000 m3 отношението на височината към
диаметъра е 1:1. В този случай се изпълнява от стоманени плочи със стъклофибърно
покритие. Височината е между 15 и 20 м, а диаметърът варира между 10 и 18м. [6].
Газхолдер. При газхолдери с ниско налягане, неговият обем към обема на
биореактора е между 1:1 и 3:1.

ХII МЕЖДУНАРОДНА НАУЧНА КОНФЕРЕНЦИЯ ВСУ’ 2012
12th INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE VSU' 2012
I - 4
Инсталация за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия
Резервоар за съхранение на отработена биомаса (склад за крайно съхранение)
Обемът му е в пряка зависимосто от обема на ферментора.
Помпена станция - важно съоръжение на заводската площадка за зареждане на
биореактора със субстрат; за изпразване на биореактора; за контрол на експлоатацията; за
зареждане на складовете за крайно съхранение.
Трафопост
Административно-битови помещения
6. Генерален план
От множеството технологични, противопожарни и санитарно-хигиенни изисквания
става ясно, че единият от основните принципи при проектирането на генералния план –
блокирането е трудно приложим. Ето защо за постигане на по-добро архитектурно-
естетическо и обемно-планировъчно решение на завода е препоръчително да се приложи
принципът на зонирането според функционалното предназначение, съобразявайки се с
други специфични за обекта фактори като: -противопожарни изисквания; -предпазване от
замръзване на тръбопроводите за газ и сусбтрат; -предпазване на съоръженията и
проводите от корозия; -предпазване от шумово замърсяване -предпазване от експлозии,
причинени от запалими газове; -предпазване от наранявания на служителите, причинени
от машини и съоръжения на заводската площадка; -климатологични въздействия и т.н.
Според функционалното зониране разделяме заводската площадка на следните
основни зони: Товаро-разтоварна зона, Зона на същинско производство, Складова зона и
Санитарно-хигиена зона (залесена, неусвоена).
Технико-икономическите анализи показват, че често площадката се използва
неефективно чрез увеличаване на коефициента на използваемост (усвояване) посредством
преоразмеряване на транспортните комуникации [2].
7. Експериментален анализ на генерални планове в Дания
Направихме изследване на генералните планове на деветнадесет предприятия в
Дания за производство на биогаз от комбиниран тип [7] с цел да изведем параметрични
зависимости между количеството на суровината, количеството на продукцията,
устройствените параметри на генералния план и технологичнните параметри на основните
съоръжения.
Фиг. 1. Извадка от схеми на генерални планове на предприятия от комбиниран тип в
Дания
Проучените предприятията са разположени около покрайнините на Блобиерг
/Blåbjerg/ (1), Блохой /Blåhøj/ (2), Фанжл /Fangel/ (3), Филско /Filskov/ (4) и др. Те
използват като основна суровина животински екскременти и ко-ферменти (алтернативна
биомаса). Предназначението на биогаза е за превръщането му в топлинна и електрическа
енергия чрез ко-генерация. Най-малкото предприятие е с площ на УПИ около 4000 м2, а
най-голямото – 82 000 м2. Средната дистанция за транспортиране на суровината до обекта
е 5,6 км., което се извършва чрез товарни автомобили (вакуум цистерни).

ХII МЕЖДУНАРОДНА НАУЧНА КОНФЕРЕНЦИЯ ВСУ’ 2012
12th INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE VSU' 2012
I - 5
Фиг. 2. Анализ на биогаз предприятия в Дания от централизиран тип
В табл. 1 са изведени релациите от направените изследвания на обемно-
планировъчните характеристики на предприятията. Абсцисите отразяват независимите
променливи, а ординатите - зависимите променливи (следствията)
Таблица 1. Експериментални резултати
диагр.
X
Y
ФУНКЦИЯ
1
Суровина (т/ден)
Продукция биогаз (млн. м3/ден)
Y = 0,001 * X + 0,77
2
Биогаз (млн. м3/ден)
Площ на УПИ (м2)
Y = 8184 * X + 4800
3
Площ на УПИ (м2)
Плътност на усвояване (%)
Y = -0,0003 * X + 51,5
4
Площ на УПИ (м2)
Плътност на застрояване (%)
Y = -0,0002 * X + 20,8
5
Площ на УПИ (м2)
Общ обем на биореакторите (м3)
Y = 0,752 * X + 736
6
Площ на УПИ (м2)
Площ на високата растителност (м2)
Y = 0,166 * X + 548
Моделът би улеснил, както инвеститорите при изготвяне на оценката за
целесъобразност, така и архитекта във фазата на идейно проектиране.
8. Благоустройство и композиционни похвати
В проучването на добри примери за сполучливо прилагане на композиционни
похвати се спряхме на предприятие от същия тип, разположено в околностите на гр.
Верлте, Германия, построено през 2003г [12]. В него са подчертани умело архитектурните
качества чрез: (1) Създаване на пространство откъм възприятиината артерия; (2)
Редуване и ритъм. Групите елементи са ротирани перпендикулярно на възприятиината
артерия поради липсата на достатъчна повтаряемост. Разчита се на ритъмът между
разнородните обеми и техните „дубликати” в заден план; (3) Членение. Ниските обеми са
разчленени хоризонтално, високите – вертикално посредством облицовъчния материал.
Така се създава илюзорна измама за наличие на доминанти във височина,

ХII МЕЖДУНАРОДНА НАУЧНА КОНФЕРЕНЦИЯ ВСУ’ 2012
12th INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE VSU' 2012
I - 6
благоприятстваща за подсилване на ритмичния ефект; (4) Цвят. Използван е принципът
на контраста във вертикално направление чрез третиране на всички стенни повърхности с
по-тъмен цвят от околната среда (светла трева – тъмно застрояване – светъл небосвод); (5)
Озеленяване - oсновен композиционен похват за организиране и подчертаване на
специфичните форми. Газхолдерите над второстепенните реактори, решени в чисто бял
цвят, са поставени пред тъмнозеления фон на високата растителност. Така е създаден
драматичен цветови контраст при най-характерната форма на биогаз предприятията -
сферичната.
9. Заключение
В България има потенциал за изграждане на стотици предприятия за производство
на биогаз от фермерски и централизиран тип. Това ще наложи качествени изменения в
средата и районите на тяхното построяване.
Биогаз предприятията имат силен социално-икономически ефект. Те ще създадат
нови работни места, ще интегрират енергетиката, аграрния, транспортния и водния
сектор. Ще бъдат крачка за прехода на България към биобазирана икономика.
Архитектурният потенциал на този вид предприятия е заключен в неговите
специфични форми и обеми на основните съоръжения, чието композиране и интегриране в
природната и урбанизирана среда ще провокира архитектурните среди.
Поради тази обществена значимост наше задължение е да се погрижим за „лицето“
на биогаз предприятията в контекста на устойчивото развитие.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Pisarski M., A. Avramova, (1987) „Industrial buildings”, 1987, Sofia, Tehnika (in
Bulgarian)
[2] Simeonov, Tsv. (1987), “Universal multistorey buildings for light industry with flexible
processes”, 1987. Moscow (in Russian)
[3] Deublein D., A. Steinhauser (2008), Biogas from Waste and Renewable Resources,
WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008, Weinheim (in English)
[4] Димитрова Д., И. Черийска, К. Георгиев, С. Маринова, Н. Колев (2009), Потенциал
за производство на биогаз в България, BiG>East, “Енергопроект” АД и Институт по
почвознание “Н. Пушкаров” 2009, София (in Bulgarian)
[5] МИЕ, АЕЕ,"Национална дългосрочна програма за насърчаване използването на ВЕИ,
2005-2015 година", 2005 (in Bulgarian)
[6] Torsten Fischer, Katharina Backes, Krieg & Fischer Ingenieure GmbH, (2007)“Biogas
production from gut contents and low value offal”, 2007, 9th International Symposium:
Rendering – a flexible resourse (in English)
[7] Al Seadi T., (2000), “Danish Centralised Biogas Plants – plant description”, 2000,
University of Southern Denmark (in English)
[8] Станев, Ст., (2006) „Биогаз ... енергията, която идва от слънцето и се натрупва в
растенията”, 2006, http://zooferma.com/biogaz.html (in Bulgarian)
[9] http://www.investor.bg/ikonomika-i-politika/332/a/bylgariia-ima-potencial-za-izgrajdane-
na-100-malki-centrali-na-biomasa,130054/ (in Bulgarian)
[10] http://www.eeandres.viaexpo.com/bg/news/press-releases/bioenergy-resource-see
[11] Biogas & Engines, www.clarke-energy.com, Accessed 2011-11-21 (in English)
[12] http://kab-sofia.bg/component/content/article/57-drugi/863-centralised-biogas-plant-
werlte-germany