В статье раскрыты на основе разработок науки и опыта сельхозпредприятий возможности Украины в выработке местных видов топлива, способных заменить природный газ.
В Украине есть возможности для замены природного газа местными видами топлива. Большой резерв имеет использование биомассы, соломы, пожнивных остатков и биогаза с дальнейшим его использованием для получения тепла и электроэнергии. Биогаз для получения дешевой энергии по значению занимает второе место после сжигания твердой биомассы. Эксперты говорят, что после 2010 года следует ждать всплеска его производства из навоза и добычи метана на свалках бытовых отходов. А до 2030 года суммарное использование этого биотоплива может достигнуть 10,2 Твт.
Технология получения
Независимо от мощности установки, принцип образования биогаза один — брожение навоза, вследствие чего и получают газ метан. Технология довольно простая. Навоз накапливается в хранилище, а потом подается в реактор (биогазовый ферментатор или метантенк). На протяжении нескольких дней биомасса в реакторе бродит при высокой температуре (оптимальной считается 38-40 градусов тепла) без доступа воздуха.
Существуют две схемы брожения — беспрерывная и периодическая. При беспрерывной субстрат загружают в реактор вместо массы, которая отбродила. Делают это несколько раз в сутки или беспрерывно, или через определенное время. Наибольшая интенсивность выделения газа приходится на период, когда в метантенк прибавляют столько субстрата, сколько предварительно разложилось. Для максимальной отдачи необходимо поддерживать постоянное количество «свежей» биомассы.
При периодической схеме нужны две камеры для брожения, которые загружают поочередно. Тогда продукт, который только что поступил, смешивают с остатками предыдущего, который перебродил. При такой схеме газ начинает вырабатываться через 5-10 суток брожения. Его количество сначала увеличивается, а потом идет на спад. При этом нужно больше запасов биомассы и вдвое больше камер для брожения. Установки периодического действия используют, в основном, на небольших фермах, где вырабатывается до 1 тонны навоза за сутки. На средних и крупных фермах используют установки беспрерывного действия.
Количество газа, который вырабатывается, в значительной мере зависит от температуры: чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации органического сырья. А производительность биогазовой установки зависит не только от вида сырья, а и от объема массы, которая перерабатывается. Поэтому, с экономической точки зрения, при выборе установки надо иметь в виду, что значительная часть ее стоимости есть цена не реактора, а комплектующих (запорная арматура, насосы, газгольдеры и т.п.). А они преимущественно импортные. Поэтому и выходит, что чем больше реактор, тем удельный вес импорта в установке меньше. И, как результат, — себестоимость биогаза также меньше.
Справка
Биомасса — органические вещества растительного и животного происхождения, которые содержат в себе углерод. В частности, дерево, солома, пожнивные остатки, навоз, органическая часть твердых бытовых отходов, иногда — торф. На сегодняшний день это четвертое по значению топливо в мире, которое дает около 2 млрд. тонн условного топлива (у.п.) энергии в год, что составляет около 14% общего потребления первичных энергоносителей в мире (в странах, которые развиваются, — свыше 30%, иногда — 50-80%).
Биогаз — это смесь газов. Его основные компоненты: метан (СН4) — 55-70% и углекислый газ (СО2) — 28-43%, а также в малом количестве другие газы. Например, сероводород (Н2S). В среднем 1 кг органического вещества, которое биологически раскладывается на 70%, содержит в себе 0,18 кг метана, 0,32 кг углекислого газа, 0,2 кг воды и 0,3 кг остатка, который не разложился.
Требования к сырью
Навоз должен быть пригоден для развития бактерий, содержать в себе биологические и органические вещества, которые разлагаются, и большое количество воды (90-94%). Желательно, чтобы сырье не содержало веществ, которые тормозят развитие бактерий.
Бактерии наиболее активные в средней зоне, поэтому содержимое реактора необходимо периодически перемешивать хотя бы раз в сутки, желательно — до шести раз. Перемешивание может быть механическим, гидравлическим (рециркуляция под действием насоса), под давлением пневматической системы (частичная рециркуляция биогаза) или с помощью разных методов самоперемешивания.
Это общая схема требований к сырью. Если, например, взять большую свиноферму, там будут свои особенности. Суточный прирост поросенка измеряется сотнями граммов, а навоза вырабатывается — 5-8 килограммов. Современный свинокомплекс, где счет поголовья идет на десятки тысяч, вырабатывает огромное количество навоза. И он здесь — другой. Подстилку на таких комплексах не используют. Гной смывают водой. Концентрация сухого вещества резко снижается — до нескольких процентов от общей массы. И так как быть? Знатоки говорят: навоз для переработки в биогаз необходимо готовить за счет добавления соломы, пожнивных остатков, отходов переработки зерновых и т.п. На птицекомплексах в сырье необходимо добавлять воду. Лучше, разумеется, с содержанием веществ, которые «нравятся» бактериям.
Биогаз — источник урожайности
Ферментация навоза проходит в анаэробных (безкислородных) условиях при температуре 30-55°С (оптимально — 40°С). Период ферментации, который «лечит» навоз от семян сорняков, кишечных паразитов, составляет не менее 12 суток. Зато в продукте полностью остается азот и фосфор. Масса навоза практически не изменяется, если не учитывать воду, которая испаряется и переходит в биогаз. Органическое вещество навоза разлагается на 30-40%.
Благодаря выделению метана и углекислого газа оптимизуется отношение С/N. Часть аммиачного азота увеличивается. Кислотная реакция органического удобрения, которое получается, — рн 7,2-7,8. Все это делает такое удобрение особенно ценным для кислых почв. Сравнительно с удобрениями, которые делают из навоза обычным способом, урожайность от продукта, который перебродил, увеличивается на 10-15%. Как правило, переработка навоза без подстилки от 10 голов КРС дает возможность получить за сутки около 20 м3биогаза, от 10 свиней — 1-3 м3, от овец — 1-1,2 м3, от кролей — 04,-0,6 м3. Тонна соломы дает 300 м3биогаза, тонна коммунально-бытовых отходов — 130 м3. Цифры — более, чем убедительные…
Отечественные шаги в освоении производства биогаза
Первые попытки создания биогазовых установок относятся к 50-ым годом прошлого столетия, вторые – концу 80-х — началу 90-х. Да и в первый раз, и во второй через большую разность в себестоимости естественного и синтетического продуктов (биогаз выходил в пять раз дороже), работы дальше опытных образцов не продвигались.
Правда, в Украине, все-таки, опытные образцы старались «внедрить» в производство. В частности, на птицефабрике «Киевская» была сооружена установка с объемом реактора 1,5 м3, которая давала возможность от переработки куриного помета получать 60 м3 газа в сутки. В совхозе «Россия» (Золотоноский район, Черкасская область) некоторое время работала установка, которая практически была переоборудованным очистным сооружением. Она имела объем реактора 170 м3 и вырабатывала со свиного навоза 200 м3 газа в сутки. Государственное испытание успешно прошла установка упомянутого института в поселке Гребенка Киевской области при ВНИИ молочного животноводства (сейчас УкрЦВТ), которая служила параллельно опорным пунктом Запорожского института. Украина имеет огромный потенциал для использования установок (таблица 1). Ведь навоза еще имеется достаточно (таблица 2).
Опыт соседей
Центр «ЭкоРос», при поддержке министерства образования и науки России в рамках государственной программы «Экологически чистая энергетика» сконструировал две биогазовые установки. Первая из них — «ИБГУ-1» — предназначена для крестьянской усадьбы. Установка перерабатывает все органические отходы животных и птицы (5-6 коров, или 50-60 свиней, или 500-600 кур), а также канализационную жидкость и бытовые твердые отходы. Модульный принцип, который заложен в конструкцию, дает возможность при необходимости увеличить выделение пара (наращивать) установкой, соответственно увеличивая мощность. Газ, который получается в биореакторе, используется в быту так, как и естественный.
Технико-эксплуатационные характеристики «ИБГУ-1»: суточный объем сырья может быть от 50 до 200 кг при влажности не менее 85% и не более 93%, суточный объем биогаза, который выделяется, в зависимости от объема сырья, колеблется от 3 до 12 м3 с содержанием 55-60% метана, 45-35% углекислого газа и полным отсутствием сероводорода. В комплект установки включены биореактор-метантенк объемом 2,2 м3, газгольдер мокрого типа объемом 3 м3, лестница-эстакада, ковш-тележка, таль, бак для хранения удобрения.
Модульный принцип, который дает возможность последовательно наращивать производительность, заложено и в конструкцию установки «БИОЕН-1» — первой русской фермерской мини-теплоэлектростанции. Каждый модуль рассчитан на навоз от 25-30 коров, обеспечивает полную независимость от централизованного электрообеспечения и покрывает все энергетические потребности фермерской семьи с 5-6 человек. На этом, правда, успехи соседей и заканчиваются. Хотя, можно отметить, что в России попробовали разработать мини-теплоэлектростанцию на биогазе. А это уже значительный шаг вперед.
Электроэнергия — «взрослость» биогаза
Оказывается, при использовании биогаза для производства электроэнергии ее себестоимость будет составлять всего 0,025-0,075 доллара за кВт/ч. В то самое время электроэнергия от традиционных источников стоит 0,1-0,15 доллара за кВт/ч. Таким образом, биогаз в 2-4 раза экономичнее от природного топлива. И это уже давно поняли в развитых странах. Первые опыты по производству электроэнергии из навоза в мире были проведены еще 25 лет назад. Однако метод не нашел широкого применения из-за его низкой эффективности.
Но с того времени в результате экспериментальных работ, которые были проведены группой исследователей из университета города Сан-Луи Обиспо (Калифорния, США), был достигнут значительный прогресс.
Экологические плюсы нового топлива
Переработка органических отходов сельскохозяйственного производства в биогазовых установках имеет два «экологических плюса» — смещается во времени глобальное потепление и уменьшается загрязнение подземных вод и поверхности водоемов аммонийными соединениями. Кроме того, биогазовые установки снижают использование дров, чем уменьшают вырубывание леса. И, как результат, сокращают деградацию грунтов. Использование 1 м3 биогаза вместо 1,3 кг дров уменьшает выбросы углекислого газа на 2,6 кг. Снижение выбросов углекислого газа за счет замены использования бензина составляет около 1,6 кг на 1 м3. Т.е. производство биогаза является важной частью биохимического углекислого цикла планеты.
До сего времени мероприятия по снижению глобального потепления сводились, главным образом, к уменьшению выбросов углекислого газа — через его высокую концентрацию в атмосфере. Тем не менее, другие газы могут нести намного больший парниковый эффект. Например, метан занимает только 20% состава парниковых газов в атмосфере. И его потенциал влияния на климат в 23 раза больше, чем углекислого. А от переработки одной тонны навоза снижение выбросов метана составляет около 90 кг эквиваленту углекислого газа.
Количество эмиссий метана от сельскохозяйственного производства составляет около 33% глобальных выбросов метана. Животноводство «отвечает» за 16%, выращивание риса — за 12% и животноводческие отходы — за 5%.
Относительный потенциал окиси азота («газ, который веселит») для изменения климата в 320 раз больше, чем потенциал углекислого газа. Производство «газа, который веселит», — естественный микробиологический процесс, который проходит во время нитрофикации и денитрофикации в почвах, сточных водах и системах утилизации отходов. Удобрение почв и специальные условия хранения могут снизить эмиссии такого газа в несколько раз. Исследования показывают, что выбросы упомянутого газа могут быть уменьшены на 10% с помощью анаэробной переработки редких отходов. А это означает предупреждение выбросов 15,7 млн. тонн эквивалента.
Навоз превратить в золото
В странах ЕС для решения вопросов биоэнергетики ежегодно выделяются значительные средства. Причем на научные разработки тратится до 40% от общей суммы, а на демонстрацию разработок — 30%. Автор считает, что в Украине, следует разработать соответствующую государственную программу, которая бы могла решать три проблемы: сырьевую, сам процесс добычи биогаза, использование полученной продукции.
Иначе говоря, навоз должен стать богатством страны, таким, как ископаемое минеральное топливо.
Таблица 1. Количество биогазовых установок, которые можно построить в Украине
Таблица 2. Потенциал навоза, который пригодный для анаэробного брожения в Украине
Коэффициент пригодности было внедрено аналитиками для того, чтобы исключить из рассмотрения навоз, который не пригодный для анаэробного брожения. Коэффициент учитывает также уменьшение количества навоза, который теряется летом на выпасах КРС. Для свиного навоза коэффициент пригодности учитывает уменьшение пригодного для брожения навоза на фермах, где применяют смывание навоза водой.
Таблица 3. Потенциал производства энергии с биогаза до 2020 года
* Основная часть потенциала биомассы, пригодной для получения биогаза, приходится на навоз (до 80%).
Справка
Всемирное потепление
Парниковый эффект вызывается наличием в атмосфере газов, которые дают возможность солнечной коротковолновой радиации проникать к поверхности Земли. А парниковая пленка, в свою очередь, задерживает инфракрасное излучение от нагретой земли. Из-за этого средняя температура атмосферы составляет +15°С, а не -18°С. Увеличение присутствия в атмосфере парниковых газов приводит к увеличению температуры земли, изменению климата. По оценке экспертов Мирового банка, до 2050 года всемирное потепление поднимет уровень моря на 50 см, что вызовет затопление берегов, засоление грунтовых вод и потерю пахотных площадей.
(По материалам газеты «Агробізнес сьогодні»).