Техніка та енергетика

Виробництво електроенергії з біогазу: сучасні технології та перспективи для енергетичної незалежності України

Олексій Садовий, Дмитро Кошкін, Володимир Мартиненко, Віталій Соколік
Завантажити статтю
Анотація

Виробництво електроенергії з біогазу та біометану є перспективним напрямом розвитку відновлюваної енергетики, який може суттєво зменшити залежність України від викопного палива, скоротити обсяги викидів парникових газів та підвищити рівень енергетичної безпеки. Метою дослідження був аналіз сучасних технологій виробництва електроенергії з біогазу та біометану, оцінка їхньої ефективності, технічних переваг, недоліків та можливостей інтеграції у загальну енергетичну систему України. Методологія дослідження включає порівняльний аналіз когенераційних установок, двигунів внутрішнього згоряння та газових турбін, які використовуються для генерації електроенергії з біогазу, а також методів очищення біогазу до рівня біометану. Аналіз проводився з урахуванням технічної ефективності, економічної доцільності та екологічної безпеки. Результати дослідження показали, що когенераційні установки демонструють найвищий коефіцієнт корисної дії, який коливається в межах 80-90%, завдяки одночасному виробництву теплової та електричної енергії. Газові турбіни забезпечують коефіцієнт корисної дії на рівні 30-40%, а двигуни внутрішнього згоряння – 25-45%. Порівняльний аналіз методів очищення біогазу виявив, що мембранні технології є найбільш перспективними завдяки високій ефективності очищення (95-98%) та економічній доцільності. Інші методи, такі як абсорбційні, кріогенні та адсорбційні, мають обмеження у застосуванні через високі енергетичні витрати або низьку ефективність очищення. Встановлено, що очищення біогазу до біометану дозволяє використовувати його для генерації електроенергії, транспортування газопроводами та забезпечення стабільності енергомереж, особливо у періоди пікового навантаження. Розроблені рекомендації включають вдосконалення технологій очищення біогазу, створення інфраструктури для його транспортування та зберігання, а також розробку механізмів державного стимулювання розвитку біоенергетики. Використання біоенергетичних технологій може забезпечити стабільність енергетичної системи України, підвищити її ефективність та знизити залежність від традиційних джерел енергії

Ключові слова

відновлювана енергетика, біометан, когенераційні установки, газові турбіни, двигуни внутрішнього згоряння, газотранспортні системи

ЦИТУВАТИ
Sadovoy, O., Koshkin, D., Martynenko, V., & Sokolik, V. (2025). Electricity generation from biogas: Modern technologies and prospects for Ukraine’s energy independence. Machinery & Energetics, 16(1), 173-185. https://doi.org/10.31548/machinery/1.2025.173
Використані джерела

[1] Abanades, S., et al. (2022a). A critical review of biogas production and usage with legislations framework across the globe. International Journal of Environmental Science and Technology, 19, 3377-3400. doi: 10.1007/s13762-021-03301-6.

[2] Abanades, S., et al. (2022b). A conceptual review of sustainable electrical power generation from biogas. Energy Science & Engineering, 10(2), 630-655. doi: 10.1002/ese3.1030.

[3] AC Group. (n.d.). Biogas purification. Retrieved from https://ac-group.in.ua/blog/biogas_purification/.

[4] Admasu, A., Bogale, W., & Mekonnen, Y.S. (2022). Experimental and simulation analysis of biogas production from beverage wastewater sludge for electricity generation. Scientific Reports, 12, article number 9107. doi: 10.1038/s41598-022-12811-3.

[5] Amhamed, A.I., Al Assaf, A.H., Le Page, L.M., & Alrebei, O.F. (2024). Alternative sustainable aviation fuel and energy (SAFE) – a review with selected simulation cases of study. Energy Reports, 11, 3317-3344. doi: 10.1016/j.egyr.2024.03.002.

[6] Atamanyuk, I., Kondratenko, Y., Shebanin, V., & Mirgorod, V. (2015). Method of polynomial predictive control of fail-safe operation of technical systems. In The experience of designing and application of CAD systems in microelectronics (pp. 248-251). Lviv: Lviv Polytechnic Publishing House. doi: 10.1109/CADSM.2015.7230848.

[7] Awogbemi, O., von Kallon, D.V., & Ray, R.C. (2024). Conversion of agriculture residues for bioenergy production. In: J. Arora, A. Joshi & R.C. Ray (Eds.), Transforming agriculture residues for sustainable development: From waste to wealth (pp. 273-294). Cham: Springer. doi: 10.1007/978-3-031-61133-9_12.

[8] Bedoić, R., Dorotić, H., Schneider, D.R., Čuček, L., Ćosić, B., Pukšec, T., & Duić, N. (2021). Synergy between feedstock gate fee and power-to-gas: An energy and economic analysis of renewable methane production in a biogas plant. Renewable Energy, 173, 12-23. doi: 10.1016/j.renene.2021.03.124.

[9] Brémond, U., Bertrandias, A., Steyer, J.P., Bernet, N., & Carrere, H. (2021). A vision of European biogas sector development towards 2030: Trends and challenges. Journal of Cleaner Production, 287, article number 125065. doi: 10.1016/j.jclepro.2020.125065.

[10] Danylyshyn, V., & Koval, M. (2023). Analysis of biogas production and prospects for the development of biogas technologies in Ukraine. Ukrainian Black Sea Region Agrarian Science, 27(3), 90-102. doi: 10.56407/bs.agrarian/3.2023.90.

[11] Das, J., Ravishankar, H., & Lens, P.N.L. (2022). Biological biogas purification: Recent developments, challenges and future prospects. Journal of Environmental Management, 304, article number 114198. doi: 10.1016/j.jenvman.2021.114198.

[12] DSTU EN 16723-1:2023. (2023). Natural gas and biomethane for use in transport and biomethane for injection into the natural gas network. Part 1. Technical characteristics of biomethane for injection into the natural gas network. Retrieved from https://online.budstandart.com/ua/catalog/doc-page.html?id_doc=102506.

[13] Gadirli, G., Pilarska, A.A., Dach, J., Pilarski, K., Kolasa-Więcek, A., & Borowiak, K. (2024). Fundamentals, operation and global prospects for the development of biogas plants – a review. Energies, 17(3), article number 568. doi: 10.3390/en17030568.

[14] Geletukha, G., Zheliezna, T., Drahniev, S., & Haidai, O. (2022). Analysis of actions for Ukraine to replace Russian natural gas. Ecological Engineering & Environmental Technology, 23(4), 1-9. doi: 10.12912/27197050/149458.

[15] Golub, G., Kukharets, S., Tsyvenkova, N., Yarosh, Y., & Chuba, V. (2018). Experimental study into the influence of straw content in fuel on parameters of generator gas. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(8-95), 76-86. doi: 10.15587/1729-4061.2018.142159.

[16] Gutarevych, Y., Mateichyk, V., Matijošius, J., Rimkus, A., Gritsuk, I., Syrota, O., & Shuba, Y. (2020). Improving fuel economy of spark ignition engines applying the combined method of power regulation. Energies, 13(5), article number 1076. doi: 10.3390/en13051076.

[17] Ilari, A., Duca, D., Boakye-Yiadom, K.A., Gasperini, T., & Toscano, G. (2022). Carbon footprint and feedstock quality of a real biomass power plant fed with forestry and agricultural residues. Resources, 11(2), article number 7. doi: 10.3390/resources11020007.

[18] Kabeyi, M.J.B., & Olanrewaju, O.A. (2022a). Biogas production and applications in the sustainable energy transition. Journal of Energy, 2022(1), article number 8750221. doi: 10.1155/2022/8750221.

[19] Kabeyi, M.J.B., & Olanrewaju, O.A. (2022b). Technologies for biogas to electricity conversion. Energy Reports, 8(16), 774-786. doi: 10.1016/j.egyr.2022.11.007.

[20] Kalinichenko, A., Havrysh, V., & Atamanyuk, I. (2019). The acceptable alternative vehicle fuel price. Energies, 12(20), article number 3889. doi: 10.3390/en12203889.

[21] Khawer, M.U.B., Naqvi, S.R., Ali, I., Arshad, M., Juchelková, D., Anjum, M.W., & Naqvi, M. (2022). Anaerobic digestion of sewage sludge for biogas & biohydrogen production: State-of-the-art trends and prospects. Fuel, 329, article number 125416. doi: 10.1016/j.fuel.2022.125416.

[22] Kolbasenko, O., Kundenko, M., Sadovoy, O., Rudenko, A., & Mardziavko, V. (2023). Research of the vibration mode of combustion of Water-Fuel emulsion for improving the efficiency indicators of the power plant. In 2023 IEEE 5th international conference on modern electrical and energy system (pp. 1-7). Kremenchuk: Institute of Electrical and Electronics Engineers. doi: 10.1109/MEES61502.2023.10402443.

[23] KTS Engineering. (n.d.). Biogas. Retrieved from https://www.kts-eng.com/solutions/biogaz/.

[24] Kucher, O., Hutsol, T., Glowacki, S., Andreitseva, I., Dibrova, A., Muzychenko, A., Szeląg-Sikora, A., Szparaga, A., & Kocira, S. (2022). Energy potential of biogas production in Ukraine. Energies, 15(5), article number 1710. doi: 10.3390/en15051710.

[25] Law of Ukraine No. 1820-IX “On Amendments to Certain Laws of Ukraine Regarding the Development of Biomethane Production”. (2021, October). Retrieved from https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/1820-IX.

[26] Law of Ukraine No. 2320-IX “On Waste Management”. (2024, November). Retrieved from https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/2320-20/ed20241115#Text.

[27] Madondo, N.I., Tetteh, E.K., Rathilal, S., & Bakare, B.F. (2022). Effect of an electromagnetic field on anaerobic digestion: Comparing an electromagnetic system (ES), a microbial electrolysis system (MEC), and a control with No external force. Molecules, 27(11), article number 3372. doi: 10.3390/molecules27113372.

[28] Mamica, Ł., Mazur-Bubak, M., & Wróbel-Rotter, R. (2022). Can biogas plants become a significant part of the new Polish energy deal? Business opportunities for Poland’s biogas industry. Sustainability, 14(3), article number 1614. doi: 10.3390/su14031614.

[29] Pérez, V., Moltó, J.L., Lebrero, R., & Muñoz, R. (2021). Ectoine production from biogas in waste treatment facilities: A techno-economic and sensitivity analysis. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 9(51), 17371-17380. doi: 10.1021/acssuschemeng.1c06772.

[30] Redko, K., Denyshchenko, L., Dobrovolska, O., Lukyanenko, N., & Kyryllova, Y. (2022). Development of green energy as a way to energy independence of the national economy: Literature review. Futurity Economics&Law, 2(4), 78-94. doi: 10.57125/FEL.2022.12.25.05.

[31] Rodrigues, B.C.G., de Mello, B.S., Grangeiro, L.C., Dussan, K.J., & Sarti, A. (2025). The most important technologies and highlights for biogas production worldwide. Journal of the Air & Waste Management Association, 75(2), 87-108. doi: 10.1080/10962247.2024.2393192.

[32] Samoychuk, K.O., Verkholantseva, V.O., & Livik, N.V. (2020). Use of wind energy and biofuels in the machinery industry. Melitopol: Tavria State Agrotechnological University.

[33] Shinde, A.M., Dikshit, A.K., Odlare, M., Thorin, E., & Schwede, S. (2021). Life cycle assessment of bio-methane and biogas-based electricity production from organic waste for utilization as a vehicle fuel. Clean Technologies and Environmental Policy, 23, 1715-1725. doi: 10.1007/s10098-021-02054-7.

[34] Shram, О., & Kachan, Yu. (2023). Determination of appropriate energy storage devices in the power grids of industrial enterprises. Journal of Kryvyi Rih National University, 21(2), 52-59. doi: 10.31721/2306-5451-2023-1-57-52-59.

[35] Sirko, Z., Okhrimenko, S., Tsapko, O., Torchilevsky, D., Starysh, E., & Gritsun, V. (2023). Ejection wind power plant. Scientific Reports of the National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, 19(3), 1-10. doi: 10.31548/dopovidi3(103).2023.015.

[36] Stavinskiy, R., Vakhonina, L., Avdieieva, E., & Sadovoy, O. (2021). Calculation of losses in steel and improvement of a three-phase transformer with a twisted spatial magnetic circuit. In 2021 IEEE international conference on modern electrical and energy systems (pp. 1-4). Kremenchuk: Institute of Electrical and Electronics Engineers. doi: 10.1109/MEES52427.2021.9598690.

[37] Stürmer, B., Leiers, D., Anspach, V., Brügging, E., Scharfy, D., & Wissel, T. (2021). Agricultural biogas production: A regional comparison of technical parameters. Renewable Energy, 164, 171-182. doi: 10.1016/j.renene.2020.09.074.

[38] Syahri, S.N.K., Hasan, H.A., Abdullah, S.R.S., Othman, A.R., Abdul, P.M., Azmy, R.F.H.R., & Muhamad, M.H. (2022). Recent challenges of biogas production and its conversion to electrical energy. Journal of Ecological Engineering, 23(3), 251-269. doi: 10.12911/22998993/146132.

[39] Thiruselvi, D., Kumar, P.S., Kumar, M.A., Lay, C., Aathika, S., Mani, Y., Jagadiswary, D., Dhanasekaran, A., Shanmugam, P., Sivanesan, S., & Show, P. (2021). A critical review on global trends in biogas scenario with its up-gradation techniques for fuel cell and future perspectives. International Journal of Hydrogen Energy, 46(31), 16734-16750. doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.10.023.

[40] Veeramuthu, A., Kumar, G., Lakshmanan, H., Chandramughi, V.P., Flora, G., Kothari, R., & Piechota, G. (2025). A critical review of biogas production and upgrading from organic wastes: Recent advances, challenges and opportunities. Biomass and Bioenergy, 194, article number 107566. doi: 10.1016/j.biombioe.2024.107566.

[41] Volpi, M.P.C., Fuess, L.T., & Moraes, B.S. (2023). Economic performance of biogas production and use from residues co-digestion in integrated 1G2G sugarcane biorefineries: Better electricity or biomethane?. Energy Conversion and Management, 277, article number 116673. doi: 10.1016/j.enconman.2023.116673.

[42] Wang, J., Ma, D., Lou, Y., Ma, J., & Xing, D. (2023). Optimization of biogas production from straw wastes by different pretreatments: Progress, challenges, and prospects. Science of the Total Environment, 905, article number 166992. doi: 10.1016/j.scitotenv.2023.166992.

[43] Xie, Z., Huang, E., Turaczy, K.K., Garg, S., Hwang, S., Kasala, P.R., Liu, P., & Chen, J.G. (2025). Biogas sequestration to carbon nanofibers via tandem catalytic strategies. Nature Chemical Engineering, 2, 118-129. doi: 10.1038/s44286-025-00182-1.