Мікробіологічна корозія бетону як фактор деструкції біогазових комплексів

Біоенергетичний комплекс України один із найбільш перспективних секторів економіки, що має показник приросту в 11% за рік. Тому є декілька причин. По-перше, це всебічна орієнтація Європи на розвиток відновлювальної енергетики. По-друге, масові останні руйнування в секторі традиційної енерго- та теплогенерації внаслідок воєнних дій протягом 2022-2024 р.р..

Суть біоенергетики полягає в переробці біомаси. Біомаса може бути використана у твердому вигляді, шляхом безпосереднього спалювання (дрова, тріска, тюки соломи, гранули та брикети з біомаси), чи перетворена і використана у рідкому (біодизель, біоетанол) чи газоподібному (біогаз, біометан) стані. Біомаса також використовується для виробництва газового палива.

Біогаз – це газ, отриманий з біомаси. Можливі джерела біогазу: відходи тваринних ферм, стічні води чи органіка на сміттєвих полігонах. Біогаз є сумішшю метану (60-70%), СО2 та невеликих кількостей інших газів. Біогаз можна використовувати для отримання електроенергії та для задоволення потреб в опаленні чи приготуванні їжі. Біометан – це майже на 100%, метан, що утворюється або шляхом збагачення біогазу, або шляхом газифікації твердої біомаси Збагачений біометан не відрізняється від природного газу, тому його можна транспортувати та використовувати таким же чином. Біометан має переваги природного газу, залишаючись при цьому вуглецево нейтральним.

Для України біоенергетика є одним із стратегічних напрямів розвитку сектору відновлюваних джерел енергії, враховуючи високу залежність країни від імпортних енергоносіїв, у першу чергу, природного газу, а також великий потенціал біомаси, доступної для виробництва енергії. 

Роль біоенергетики у секторі виробництва теплової енергії є особливо важливою, оскільки біомаса та біопалива можуть заміщувати традиційні палива і енергоносії у виробництві теплової та електричної енергії, а також на транспорті. 

Станом на 01.01.24 в Україні вже функціонують на правах «зеленого тарифу» 92 обʼєкти біоенергетичного сектору, що працюють як на біомасі, так і на біогазі, що разом продукують 313 МВт електроенергії.

Виробництво біогазу в Україні наразі є стратегічно важливим, так як має потенціал щодо 100% заміщення імпортованого раніше російського газу.

Чому біометан?

 Біометан абсолютно готовий для закачування в газову мережу вже сьогодні на відміну від водню. Не потрібні інвестиції у модернізацію газових мереж (ГТС і ГРС) і газового обладнання (газові пальники, двигуни, турбіни, ...).

На сьогодні це найдешевший із можливих відновлюваних газів.

Біометанові заводи, окрім біометану, генерують дигестат, який може стати основним органічним добривом необхідним для відродження українських ґрунтів.

Чому в Україні?

Україна має найбільшу в Європі площу сільськогосподарських угідь, і, відповідно, один з найкращих в світі потенціалів аграрної сировини для виробництва біометану.

Україна може запропонувати найдешевшу сировину для виробництва біометану і реально конкурувати з будь-якими країнами на ринку біометану.

Україна має розвинену систему газових мереж (ГТС і ГРС).

Структура сільськогосподарських підприємств сприятлива для виробництва біометану (велика частка крупних і середніх підприємств).

Можливість експорту біометану на преміальний ринок ЄС, який прийняли амбітні плани з виробництва біометану (REPowerEU): 35 млрд м3/рік у 2030 р. Україна потенційно може забезпечити до 20% цієї потреби.

Потенціал України у виробництві біогазу складає 21,8 млрд м3/рік.

Станом на початок 2024 року в Україні функціонувало більше 80 біогазових комплексів, ще 5 мають добудувати цього року і щонайменше ще 5 наступного. Із відкриттям Європейського ринку біоетанолу для українських виробників очікується стрімке зростання цього сектору економіки.

Нині в Україні функціонує багато компаній, що можуть прийняти участь у  будівництві біогазових комплексів в тій чи іншій мірі, але «під ключ»: від проекту до введення в експлуатацію працює 5 основних.

Це високотехнологічне будівництво, що має свою специфіку.

Біогазовий комплекс складається з трьох дільниць: блок завантаження, блок гідролізу і ферментатори – резервуари, де утворюється метан. Отриманий газ очищують від сірководню, осушують та транспортують на когенераційну установку для спалювання.

Як правило всі резервуари біогазового комплексу зводять із бетону, як найбільш надійного та довговічного матеріалу. Але до таких резервуарів є певні вимоги – абсолютна водонепроникність, теплоізоляція та підвищена хімічна стійкість, так як верхня частина реакторів, так звана «газова зона» перебуває під постійним впливом низки сильно агресивних речовин, в тому числі сірководню.

В процесі роботи CSTRа всередині утворюється велика кількість тіонових бактерій. Продуктами їх життєдіяльності є сірководень, який, у поєднанні із конденсатом у газовій частині резервуару, утворює надзвичайно агресивну сірчану кислоту. Як результат – сильна мікробіологічна корозія бетону із подальшим руйнуванням.

Схильність бетону до мікробіологічної корозії обумовлена його хімічним складом, структурою і механічними властивостями. Бетон, що тривалий час контактував із тіоновими бактеріями, являє собою не міцний моноліт, а пухку сіру масу, що немає міцності, із зруйнованим цементним каменем і слідами іржі від арматури. Зрозуміло, що в результаті цих процесів термін служби бетонної конструкції зменшується в рази. Відновити таку конструкцію, вкрай важко, так як руйнування бетонного каменю відбувається на всій глибині аж до арматурного каркасу із  подальшою корозією металу, що призводить до втрати несучої здатності конструкції в цілому.  Крім того, навіть, якщо мікробіологічна корозія була виявлена на початкових етапах, ремонтні роботи потребують повної зупинки виробничого процесу.

З огляду на інвестиційну вартість таких проектів, вкрай нерозумним буде легковажне ставлення до питання захисту конструкції. Саме тому ще на етапі проектування біогазового комплексу варто ретельно проаналізувати  ринок матеріалів для захисту від мікробіологічної корозії з тим, щоби вибрати найбільш ефективний.

З-поміж основних серед них варто назвати:

Полімерні покриття, в тому числі на основі епоксидних смол

Матеріали на основі алюмоцементів

Матеріали на основі мінералів в тому числі кислотоактивуємі

Кожен із зазначених типів матеріалів має свої «слабкі місця»:

Полімерні покриття надто чутливі до рівня вологості основи для нанесення та гладкості поверхні. Тому їх можна використовувати виключно при новому будівництві за умов високоякісного бетонування із послідуючим шліфуванням. Це вимагає високого рівня культури ведення монолітних робіт, що збільшує вартість проекту.  Проте і за цих умов із часом, в звʼязку із різними коефіцієнтами температурних деформацій бетону та полімерів, відбувається їх взаємне відшаровування.

 Матеріали на основі цементів, в тому числі алюмоцементів. Вони не вимогливі до рівня вологості основи нанесення та до її гладкості. Але, як і будь-які цементні основи не можуть довго працювати в умовах низького pH.

Матеріали на основі мінералів, в т.ч. шлаків та/або кремнеземів, краще всього можуть впоратися із викликами, що дають як бактерії, так і загальні умови експлуатації конструкції. По-перше, вони наносяться на вологу основу. По-друге, вони не вимогливі до рівня гладкості поверхні, а повторюють її рельєф. По-третє, ідеально функціонують в умовах підвищеної кислотності,  так як використовують кислоту для власної полімерізації.

Проте ні один із матеріалів не може дати абсолютного захисту, якщо не підходити до питання захисту конструкції комплексно, а саме: виконавши гідроізоляцію, знизивши рівень тіонових бактерій і, власне, мікробіологічного захисту.

Найкращим чином такий комплексний захист представлено компанією Penetron International. Технічні спеціалісти компанії розробили комплекс із трьох продуктів.

PENETRON ADMIX – гідроізоляційна кальматуюча домішка, що забезпечує повну водонепроникність бетону, навіть за умов високого гідростатичного тиску. Матеріал забезпечує стале ущільнення бетонної матриці за рахунок створення водонерозчинних кристалогідратів. Це, в свою чергу, робить бетон водонепроникним в усій своїй товщі на фізичному рівні, без створення якихось поверхневих шарів, що можуть бути зруйновані з часом. Така гідроізоляція немає терміну служби і є найбільш надійною та довговічною. Крім того, кристалічна гідроізоляція наділяє бетон здатністю до самовідновлення: самозарощуючи всі новоутворені мікротріщини із шириною розкриття до 0,5 мм протягом всього терміну експлуатації конструкції. Бетон, крім того, набуває стійкості до дії сульфатів і хлоридів. Надійно захищений в діапазоні pH 2-12 (епізодичний контакт) та pH 3-11 (постійний контакт). У випадку проведення ремонтних робіт на вже діючому біогазовому комплексі може бути використаний матеріал поверхневого нанесення PENETRON, що має такі ж показники ефективності, як і домішка. Всі означені показники ефективності багаторазово підтверджені як на базі світовоих лабораторій, так і в Україні: НДІБК та ДержДорНДІ (НІРІ).

BioMic – унікальна протимікробна домішка до бетону, що діє на електрофізичному рівні. Використовується як при новому будівництві, так і в процесі ремонту. Використання саме під час ремонту конструкції є найбільш важливим етапом, так як дозволяє знищити продуцентів сірководню в глибині бетону, чого не робить жоден інший матеріал. BioMic  - мікробіостатичний матеріал, що розриває стінки мікробів при контакті. Таким чином бетон, що має в своєму складі BioMic наділяється властивістю до знищення тіонових бактерій на електрофізичному рівні, тим самим зменшуючи кількість продукованого сірководню.

Penetron ARC -двокомпонентний кислотоактивуємий матеріал на основі шлаків та кремнезему, що надійно захищає конструкцію в діапазоні pH 0,6-13. PENETRON ARC застосовується на бетонних поверхнях, де існують анаеробні умови і утворюються сильні кислоти в зоні підвищеного газоутворення. Сильні кислоти, зокрема сірчана, вступають в хімічну реакцію з PENETRON ARC, перетворюючи покриття в щільну кислотостійку оболонку, яка захищає і продовжує термін служби бетонної поверхні. Матеріал легкий у використанні, може бути застосований як при новому будівництві, так і в ході ремонту біогазових комплексів.

Саме комплексний підхід до питання захисту може суттєво продовжити термін служби бетонних конструкцій, нівелювати потребу в періодичних ремонтних роботах та суттєво знизити як вартість реалізації проекту, так і експлуатаційні витрати.

                Враховуючи темпи розвитку біоенергетичного сектору України та експортного потенціалу на цьому ринку, варто ставитися відповідально до реалізації таких проектів. Адже це наш шанс отримати енергетичну незалежність, з одного боку, та інвестиціну привабливість, з іншого.