Избавьтесь от чуши: этот стартап превращает коровий навоз в экологически чистое водородное топливо

Избавьтесь от чуши: этот стартап превращает коровий навоз в экологически чистое водородное топливо.

Фотография компании Modern Electron, сделанная в 2021 году. Стартап из Ботелла, штат Вашингтон, вырос примерно до 50 сотрудников. (Современное электронное фото)

Стартап из Сиэтла Modern Electron объединяется с Tulalip Tribes, молочным заводом в Западном Вашингтоне, и природоохранной организацией, чтобы протестировать новую технологию производства экологически чистой энергии.

В этом месяце проект получил 769,360 XNUMX долларов от государственного Фонда чистой энергии, присужденного Министерством торговли штата Вашингтон. Фонд поддерживает передовые технологии, которые сокращают выбросы углерода, которые нагревают планету и вызывают климатический кризис.

Четырнадцать лет назад племена Тулалип, Northwest Chinook Recovery и Werkhoven Dairy объединили свои усилия для создания Qualco Energy, инновационного партнерства, призванного не допускать попадания коровьего навоза в лососевые потоки. Они превращают отходы в природный газ для выработки электроэнергии.

Пилотный проект с Modern Electron сделает работу еще более экологичной за счет преобразования природного газа в водородное топливо и углерод, которые можно использовать в качестве удобрения.

Тони Пэн, генеральный директор и соучредитель Modern Electron. (Фото из LinkedIn)

«Когда к нам пришла Modern Electron, мы были заинтригованы идеей разогнать газ до чистого водорода. Это самое чистое горючее вещество», — сказал Дэрил Уильямс, президент Qualco. «Мы пытаемся извлечь углерод из воздуха в почву, где ему и место».

Qualco использует анаэробный биореактор для переработки 60,000 24,000 галлонов навоза и XNUMX XNUMX галлонов пищевых отходов каждый день. Образовавшийся природный газ или метан служит топливом для генератора, производящего энергию, который продает электроэнергию местным коммунальным предприятиям в округе Снохомиш.

Modern Electron строит пилотную установку на биореакторе, которая будет использовать технологию, называемую пиролизом метана, для отделения водорода от углерода. По словам генерального директора Тони Пэна, он должен быть запущен к началу 2023 года.

Основанный в Ботелле стартап был запущен в 2015 году на базе Intellectual Ventures, инновационного центра, созданного бывшим исполнительным директором Microsoft Натаном Мирволдом при поддержке соучредителя Microsoft Билла Гейтса. Помимо государственного гранта, Modern Electron потратит часть собственного капитала на проект Qualco. Стартап привлек $70 млн венчурного капитала.

Пиролиз метана – сложная технология. Для запуска реакции требуется много энергии, и это трудно сделать эффективно. Но растет спрос на водород, который можно использовать в генераторах, двигателях и водородных топливных элементах. В этом случае водород будет использоваться в генераторе, уже работающем на площадке Qualco. Когда водород используется в качестве топлива, его единственными выбросами являются водяной пар.

Pacific Northwest National Laboratories входит в число организаций, также занимающихся разработкой технологии пиролиза метана. В марте лаборатория объявила о своем прогрессе в разработке процесса пиролиза, который генерирует углерод достаточно высокого качества для производственных применений. По данным PNNL, единственным действующим коммерческим предприятием по пиролизу метана в США является демонстрационная установка в Небраске.

Образец углеродного угля, полученного в результате пиролиза метана Modern Electron. (Современное электронное фото)

Это новое пространство для Modern Electron. Первоначально компания сосредоточилась на создании преобразователей, вырабатывающих электроэнергию из тепла. Устройства соединены с бытовыми печами и баками для горячей воды, улавливая отработанное тепло приборов и превращая его в энергию.

По словам Пана, у этого опыта есть применение для решения этой задачи. «Мы очень хорошо познакомились с тем, как создавать и проектировать системы, которые достигают температур, необходимых для расщепления молекул метана на твердый углерод и водород».

Проект Qualco является первым полномасштабным пилотным проектом Modern Electron. По словам Пана, в ближайшие месяцы стартап объявит о дополнительных проектах по производству водорода.

Он надеется, что этот подход окупится с финансовой точки зрения, отчасти потому, что он может использовать уже существующую газовую инфраструктуру для перемещения топлива. Это также создает возможность получения кредитов для компенсации выбросов парниковых газов за углерод, который производится и помещается в землю.

Уильямс отметил, что в стране есть и другие биореакторы, которые могли бы извлечь выгоду из этой стратегии.

«Мы действительно с нетерпением ждем возможности увидеть, как это работает», — сказал Уильямс.

Вот другие проекты, которые получили долю грантов Фонда чистой энергии в размере 8.5 миллионов долларов:

BattGenie, Сиэтл: 300,000 XNUMX долларов за систему хранения аккумуляторов в застройке, принадлежащей коренным американцам.
Город Якима: 1 миллион долларов на технико-экономическое обоснование нового анаэробного реактора для переработки пищевых отходов.
Технологический центр по переработке композитов, Порт-Анджелес: 647,250 XNUMX долларов США на технологии переработки лопастей ветряных турбин.
Инновационный центр Darrington Wood, Даррингтон: 1.5 миллиона долларов на технологию, которая превращает биомассу в древесину и биоэнергетическое сырье.
Группа 14, Сиэтл: 426,858 XNUMX долларов за демонстрацию кремниево-полимерной твердотельной батареи.
McKinstry Essention, Сиэтл: 755,000 XNUMX долларов на испытания теплового насоса.
OCOchem, Такома: 1.5 миллиона долларов на разработку портативных генераторов экологически чистой энергии и производство водородного топлива для порта Такома.
Индийское жилищное управление Спокан, Wellpinit: 884,245 XNUMX долларов на НИОКР для микросети, обслуживающей Племя.
XFlow Energy, Сиэтл: 772,000 XNUMX долларов США на исследования и разработки по повышению эффективности использования энергии ветра.

Сообщение от Андеррайтер

Мы стремимся создавать всеобъемлющие экономические возможности, защищать основные права, строить устойчивое будущее и завоевывать доверие в нашем родном штате Вашингтон и во всем мире. Узнайте больше о влиянии нашей работы на Microsoft на вопросы.

Больше гражданского

Участник GeekWire Лиза Стиффлер репортер, редактор и уроженец Северо-Запада, который почти два десятилетия назад сменил лабораторный халат на репортерский блокнот. Охватывает местные усилия по использованию технологий для решения экологических, медицинских, социальных и других проблем, связанных с благом. Подпишитесь на @lisa_stiffler и напишите по адресу lisa@geekwire.com.

Гала GeekWire возвращается!

Стильная праздничная вечеринка технического сообщества Сиэтла возвращается в среду, 7 декабря, с 6:10 до 41:XNUMX в историческом Блоке XNUMX. Вы увидите знакомые лица, заведете новых друзей и насладитесь вечерним разговором, вкусными угощениями и праздничными коктейлями под отличную музыку. в самом сердце Сиэтла. Пригласите старых друзей, коллег, значимых или незначительных людей и начните праздничный сезон правильно.

Навоз в энергию: понимание процессов, принципов и профессионального жаргона

Рисунок 1: Будущее сельского хозяйства: предложение пищевых волокон и биотоплива.

Сегодня в центре внимания США находится растущий мировой спрос на энергию и высокая стоимость нефти и природного газа. Это повысило интерес к альтернативным и возобновляемым источникам энергии, таким как биотопливо, леса, ветер, солнце и навоз животных.

В то время как спрос на углеводородную энергию (энергию из сырой нефти, природного газа и угля) будет продолжать расти, в ближайшие годы все большее значение будут приобретать возобновляемые источники энергии.

В этой публикации следующий рисунок используется в качестве простой иллюстрации потенциальных источников энергии из биомассы, включая деревья, сельскохозяйственные культуры, навоз животных и твердые бытовые отходы. Биомасса будет собираться в полевых условиях, предварительно обрабатываться и транспортироваться на биоперерабатывающие заводы для обработки и переработки. Затем он будет преобразован в биотопливо для транспорта, промышленных химикатов или электростанций для производства электроэнергии для общественного потребления.

На низовом уровне предпринимаются усилия американских фермеров, бизнесменов и лидеров профсоюзов, а также природоохранных групп, чтобы к 25 году получать 2025 процентов всей потребляемой энергии из пахотных земель, лесов и ферм США. Это движение, получившее название 25 X 25, включает операции по откорму животных. Он получает широкую частную и общественную поддержку.

Энергия от корма до навоза

Навоз, содержащий непереваренные и частично переваренные пищевые питательные вещества, является ресурсом, который способствует росту растений и добавляет органические вещества для улучшения структуры почвы. Питательные вещества в кормах для животных, которые являются источниками энергии, включают углеводы, состоящие из углерода (C), водорода (H) и кислорода (O), например, из фуража и зерновых культур. Другими питательными веществами являются белки (в форме аминокислот) и жиры (или липиды), состоящие в основном из C, H, O, а также фосфора (P) и азота (N).

Энергетическая ценность кормов для животных выражается в калориях. Одна калория — это количество тепла, необходимое для повышения температуры одного грамма воды на 1 градус Цельсия (°C) по сравнению со стандартной начальной температурой и давлением на уровне моря. Не вся энергия корма используется животным.

Энергия корма может быть разделена на чистую энергию и потерянную энергию. Потери энергии в процессе пищеварения включают потерю энергии с навозом (фекалиями и мочой), с газами, образующимися при брожении в желудочно-кишечном (пищеварительном) тракте животных и с теплом. Несколько процессов могут преобразовать энергию навоза в пригодную для использования биоэнергию.

Важные свойства навоза при преобразовании в энергию

Помимо процессов и принципов преобразования навоза и биомассы в энергию, ознакомление со следующими терминами поможет потребителям понять научный жаргон производства биоэнергии:

Высокая и низкая теплота сгорания. Высокая теплота сгорания (HHV), мера энергии биомассы (BTU на массу или объем навоза и т. д.), является результатом сжигания образцов с использованием калориметра. Эти значения также могут быть рассчитаны по формулам с использованием конечного анализа биомассы. Низкая теплотворная способность (НТС) — это поправка к ВТС за счет влаги в топливе (биомасса) или водяного пара, образующегося при сгорании водорода в топливе.
Ближайший анализ. Экспресс-анализ является хорошим начальным индикатором качества биомассы (навоза). Образцы биомассы анализируются для определения содержания влаги, золы и летучих веществ (твердое вещество в биомассе, которое при нагревании до определенной температуры превращается непосредственно в газообразную фазу, минуя жидкую фазу). Экспресс-анализ также определяет связанный углерод, который рассчитывается путем вычитания влаги, золы и летучих веществ из общей биомассы.
Окончательный анализ. Окончательный анализ показывает процент C, H, O, S и N в биомассе. Значения этих элементов могут различаться в зависимости от типа навоза или других типов биомассы. Окончательный анализ может определить теплотворную способность топлива из биомассы. Количество S и N в биомассе, в том числе в навозе, помогает определить параметры конструкции и рабочих параметров системы производства биоэнергии с помощью различных термохимических процессов.

Теплотворная способность навоза в пересчете на сухую беззольную основу (DAF) оценивается в 8,500 XNUMX БТЕ/фунт, согласно обширным полевым исследованиям, проведенным Техасской сельскохозяйственной экспериментальной станцией и Техасским кооперативным расширением. Когда навоз должен быть преобразован в энергию, эта теплотворная способность считается входной энергией в процессе преобразования. Для получения полезной энергии и топлива навоз может быть преобразован под действием микроорганизмов для производства метана (биологический процесс) или под действием тепла при высокой температуре в присутствии воздуха или окислителя или без него (термохимический процесс). .

Биологический процесс

Производство метана — это биологический процесс, при котором энергия вырабатывается из навоза животных. Процесс, который называется анаэробным сбраживанием, представляет собой обработку навоза естественными микроорганизмами (бактериями) в отсутствие воздуха (особенно кислорода) для получения биогаза.

Биогаз, который образуется в результате разложения органических веществ в навозе бактериями, содержит в основном метан (CH₄) и углекислый газ (CO₂). Другие газы, такие как азот ( N₂), сероводород ( H₂S) и следовые органические компоненты также присутствуют в относительно небольших количествах. Как правило, 60-65 процентов биогаза составляет CH.₄. Метан и CO₂ составляют более 90 процентов биогаза. Практически весь азот, фосфор (P) и калий (K) остаются в переваренном навозе.

Метан, полученный в результате анаэробного сбраживания и используемый в качестве источника энергии, также снижает его естественные выбросы, которые имеют гораздо больший потенциал глобального потепления, чем CO.₂. Теплотворная способность (энергия, выделяемая из данной массы топлива из биогаза, содержащего 65 процентов CH₄) составляет примерно 600 БТЕ/фут 3 .

Компания Британская тепловая единица (BTU) — это количество тепла, необходимое для повышения температуры одного фунта воды на один градус Фаренгейта (°F). В одной БТЕ 252 калории. Для сравнения, 1,000 куб. футов биогаза с 3 % CH₄ будет приблизительно эквивалентен 600 фут3 природного газа, 6.6 галлона пропана и 4.7 галлона бензина.

Информацию о типах биогазовых установок и их функциях можно найти на веб-сайте Агентства по охране окружающей среды США по адресу www.epa.gov/agstar.

Термохимический процесс

Термохимические процессы включают прямое сжигание, совместное сжигание, газификацию и пиролиз. Прямое сжигание относится к сжиганию биомассы непосредственно в печи для производства тепла и электричества. Пар, полученный от тепла сгорания, приводит в действие турбину, которая вращает генератор для производства электроэнергии. Навоз как топливо потенциально может быть сожжен напрямую. Однако, поскольку содержание золы в нем (неорганические остатки, такие как почва или другой неорганический материал, который остается после сгорания) выше, чем в другой биомассе (например, древесине и соломе) или ископаемом топливе (например, угле), прямое сжигание навоза нежелательно. не практично и не эффективно.

Из-за изменчивости навоза часто желательно смешивать его с другими менее изменчивыми видами топлива для сжигания. Одним из способов сделать это является совместный огонь, который относится к смешиванию биомассы и ископаемого топлива на обычных электростанциях. Значительное сокращение выбросов диоксида серы (SO₂) — загрязнитель воздуха, выбрасываемый при сжигании угля) — достигаются с помощью систем совместного сжигания на электростанциях, использующих уголь в качестве входного топлива.

Мелкомасштабные исследования Техасского университета A&M показывают, что совместное сжигание навоза с углем может также сократить выбросы оксида азота (NOx) из угля, которые способствуют загрязнению воздуха. Это зависит от того, впрыскивается ли навоз в надлежащее место, например, во вторичную камеру сгорания. Там он служит дополнительным или перезажигать топливо и органический источник мочевины и аммиака (NH₃). При совместном сжигании навоза и угля NH₃ высвобождается из навоза и соединяется с NOx с образованием безвредного азота и воды.

газификация процесс, посредством которого углеродсодержащее топливо (любое ископаемое топливо или биомасса, состоящее из/или содержащее углерод) превращается в пригодный для использования газообразный продукт без полного сгорания топлива. Процесс происходит в среде с дефицитом кислорода (частичное окисление) при высоких температурах (рис. 2). Полученное топливо представляет собой генераторный газ (синтез-газ или синтетический газ), который состоит в основном из различных соотношений водорода и монооксида углерода (CO).

Рис. 2: Процесс газификации биомассы

Синтез-газ можно дополнительно перерабатывать в другие виды топлива или продукты путем химической конверсии или сжигать для нагревания обычного котла. Кроме того, он может заменить природный газ в газовой турбине.

Пиролиз представляет собой процесс термохимической конверсии, при котором биомасса нагревается при высоких температурах при полном отсутствии окислителя (кислорода). Продукты для этого процесса включают горючий газ, жидкие конденсаты и древесный уголь. Жидкая часть называется пиролизным маслом, которое можно сжигать для выработки электроэнергии. Его также можно использовать в качестве химической добавки для производства пластмасс и других биопродуктов.

Локальные системы преобразования навоза в энергию

Имеются возможности для на месте или на ферме система преобразования навоза в энергию. На объекте могут быть установлены небольшие и модульные конверсионные блоки, чтобы устранить проблемы, связанные с вывозом навоза за пределы площадки. Операторы животноводческих помещений могут построить эти системы для обработки и преобразования части своих потоков отходов и для производства вспомогательной энергии и электроэнергии, включая биотопливо для использования на фермах. По мере того, как операторы учатся работать с этими системами, они могут добавлять дополнительные устройства и увеличивать объем обрабатываемого потока отходов. Это обеспечило бы им полностью замкнутую систему обращения с отходами.

Примером может служить модульная система анаэробного сбраживания. Он направляет часть потока навоза в крытую лагуну, которая действует как анаэробный метантенк. Образовавшийся метан можно очистить и использовать для питания небольшого двигателя-генератора для выработки электроэнергии. Это удовлетворит часть их потребности в энергии.

Осадок, образующийся в варочном котле после процесса варки, можно использовать для запуска местной системы газификации. Энергия этой системы может быть использована для получения тепловой энергии, необходимой для сушки осадка, предварительно отделенного от водяного потока.

В зависимости от потребностей и возможностей установки может быть установлено несколько модулей комбинации метантенка-газификатора. По мере того, как исследовательское сообщество создает новые технологии для высокотехнологичных систем производства жидкого топлива, операторы и менеджеры этих комбинированных систем уже будут иметь некоторый опыт их эксплуатации для производства тепла и электроэнергии в хозяйствах. В то же время они сократят потенциал загрязнения отходами животноводства.

Совместные продукты и остатки

Практически все процессы биоконверсии приводят к образованию остатков, которые могут не иметь непосредственной ценности. Например, большинство, если не все, питательных веществ для растений останутся после биоконверсии или термохимической конверсии. Однако эти питательные вещества могут быть в форме, отличной от той, которая обычно содержится в исходном биоэнергетическом сырье.

Будущие задачи будут связаны с поиском процессов, способов использования и рынков для этих сопутствующих продуктов. Возможности могут включать корма для животных, удобрения, почвенные кондиционеры, строительные материалы или химическую экстракцию.