Переработка различных видов сырья, каждое из которых имеет свой собственный состав сахаров, жиров и других органических соединений, является сложной работой. Исследователи из Университета Айовы обращаются к автоматизации для решения связанных с этим проблем.
11 января 2024 г.
Поскольку заголовки кричат, что мы должны двигаться быстрее, чтобы сократить выбросы парниковых газов и обратить вспять изменение климата, анаэробное сбраживание (AD) с его способностью улавливать метан и превращать его в возобновляемые продукты, привлекает все большее внимание. Технология по-прежнему медленно осваивается в США, но некоторые участники отрасли работают над ускорением темпов с помощью инноваций, чтобы сделать процесс более эффективным, дешевым и расширить его возможности. От дополнений, основанных на искусственном интеллекте, до экспериментов с некоторыми маловероятными исходными материалами — новые концепции начинают обретать форму.
Переработка различных видов сырья, каждое из которых имеет свой собственный состав сахаров, жиров и других органических соединений, является сложной работой. Исследователи из Университета Айовы обращаются к автоматизации для решения связанных с этим проблем.
Команда разработчиков работает над созданием полностью автоматизированной масштабируемой системы, включающей датчики и машинное обучение, чтобы получить больше информации о сырье и повысить эффективность работы.
“Мы видим, что в сочетании с определением состава сырья в режиме реального времени математические модели могут служить основой для увеличения производства биогаза и расширения ассортимента органического сырья, которое может быть использовано”, — говорит Крейг Джаст, адъюнкт-профессор инженерного факультета Университета Айовы Дональда Э. Бентли.
По его словам, благодаря этим возможностям автоматизация может снизить затраты на персонал и потерю доходов из-за простоев и, в конечном счете, быстрее сделать проекты более прибыльными.
Прошедший год был удачным для открытий. Именно тогда команда Университета Айовы продемонстрировала, что данные системы диспетчерского контроля и сбора данных (SCADA), собранные на муниципальном предприятии совместного сбраживания, могут прогнозировать производство биогаза, что является лишь первым шагом к цифровой двойной модели – эти виртуальные представления реальных сценариев могут выявлять потенциальные проблемы до того, как они возникнут, отслеживать и максимизировать производительность.
Но передовые инновации развиваются медленно, несмотря на спрос на технологии для устойчивого управления растущими объемами органики при одновременном их использовании. Просто указывает на свой родной штат в качестве примера.
“В Айове у нас достаточно сырья для обслуживания более 1000 варочных котлов, но у нас работает менее 100 из них. Таким образом, развитию рекламы препятствует общее отсутствие инноваций ”.
По его словам, помимо технологии, необходим сдвиг парадигмы в сторону использования недоиспользуемого гетерогенного органического сырья, “чтобы превратить имеющийся у нас углерод в углерод, который нам нужен”.
Исследователи Калифорнийского университета в Дэвисе изучают методы гранулирования навоза и компоста и в будущем могут применить эту технологию для переработки навоза из ADS.
Фрэнк Митлоэнер, профессор и специалист по качеству воздуха Калифорнийского университета в Дэвисе, участвовал в пилотном проекте гранулирования для применения в миндальном саду, в то время как его коллега запустил аналогичный проект на молочной ферме по производству гранул из навоза.
Исследования в этой области были ограничены из-за того, что это энергоемкие и дорогостоящие процессы.
Митленер и его команда работают над повышением экономичности методов очистки, чтобы повысить способность к биологическому разложению и скорость производства биогаза. Они нацелены на максимальное извлечение питательных веществ из дигестата, а также на сокращение времени обработки.
“Благодаря всем этим повышенным показателям эффективности мы сможем снизить затраты, потребление энергии и выбросы, а также ускорить внедрение”, — говорит он.
Другой проект Калифорнийского университета в Дэвисе предполагает изучение способов улучшения переработки жидких и твердых фракций для таких применений, как подстилка для амбаров, внесение изменений в почву или концентрат, используемый в качестве жидкого удобрения.
Митленер и его коллеги измеряют выбросы метана из навозохранилищ до и после установки варочного котла для оценки результатов.
“Цель этого исследования — собрать данные, которые могут повысить полезность уже существующих технологий. Устойчивое развитие — это путешествие, а не пункт назначения. И большая часть нашей работы направлена на точные усовершенствования существующих систем, которые будут иметь большое влияние ”, — говорит он.
Ученые из Университета штата Айова, Пенсильванского государственного университета и Roeslein Alternative Energy оценивают, как многолетние травы и озимые культуры используются в качестве сырья для совместного переваривания с навозом.
Проект под названием C-CHANGE: Grass2Gas, финансируемый Министерством сельского хозяйства США, направлен на стимулирование фермеров к выращиванию этих новых культур и луговых трав на экологически чувствительных землях или там, где кукуруза и соя, которые они обычно выращивают, дают невысокий урожай. По сути, фермерам платят за сокращение выбросов и содействие развитию рынка возобновляемых источников энергии. Новаторы, работающие на газе Grass2Gas, оказываются в авангарде этого движения.
При смешивании навоза с новым сельскохозяйственным сырьем партнеры стремятся продемонстрировать, что можно создавать более разнообразные продукты и повышать ценность по всей цепочке поставок, говорит Лиза Шульте Мур, профессор и содиректор Института биоэкономики при Университете штата Айова. Шульте Мур возглавляет межведомственную работу.
Растения производят много метана. Это хорошо для AD, если технология хорошо разработана для улавливания сильнодействующего газа. Но не так хорошо, если метан попадает в атмосферу. Команда учитывала эту реальность.
“Наше технико-экономическое моделирование и оценка жизненного цикла показывают, что
усилия по созданию действительно герметичных систем AD и предотвращению утечки метана во время производства, очистки, впрыска, транспортировки и утилизации имеют решающее значение ”, — говорит Шульте Мур.
На отраслевом уровне также развивается более широкое понимание важности закрытых хранилищ для жидких и твердых продуктов переваривания.
Постепенно воплощаются в жизнь новые концепции, призванные когда-нибудь продвинуть вперед около 2400 действующих биогазовых установок в США (в основном небольших) и увеличить их количество с нуля. Несколько регионов быстрее продвигаются к масштабированию.
“Анаэробное сбраживание — это захватывающая область прямо сейчас. Видеть это в тех масштабах, в которых мы находимся в Калифорнии, захватывающе”, — говорит Митленер. Хотя он разделяет одну особую боль, которая беспокоит его.
“Я думаю, что способы использования получаемого биогаза все еще разрабатываются сами по себе, и исследования, направленные на изучение новых путей использования биогаза, позволят продолжать использовать технологию в будущем”.