Биоэнергетика - путь решения проблемы энергодефицита в АПК

Ископаемые источники энергии (нефть, газ, уголь) не бесконечны. Как промежуточное решение проблемы существует вариант создания АЭС на быстрых нейтронах. Необходимо отметить, что запас радиоактивных веществ на Земле тоже ограничен. Также в распоряжении человечества имеется гидроэнергетика, но авария на Саяно-Шушенской ГЭС показала уязвимость энергетического комплекса страны. Помимо этого, в мире для получения энергии используются альтернативные источники. Так, например, для Удмуртской Республики наиболее предпочтительным возобновляемым видом энергии является биоэнергетика.

Попов Сергей Юрьевич, старший преподаватель кафедры "Инженерная экология" ИжГТУ

Биомасса - это органические отходы животноводческих хозяйств и в целом сельского хозяйства, а также отходы переработки предприятий пищевой промышленности,  очистных сооружений муниципальных образований, пищевые отходы предприятий сферы питания и домовладений и т.д.
Биомасса - это наиболее дешевая и крупномасштабная форма аккумулируемой и возобновляемой энергии. Достаточно сказать, что прирост биомассы на Земле составляет примерно 200 млрд. тонн в год, а аккумулированная в ней энергия в 10 раз превышает ее годовое потребление всем человечеством. В таблице 1 приведены энергетические показатели некоторых видов топлив и отходов.
Навоз по энергоемкости лишь в два раза уступает таким популярным в настоящее время видам топлива, как неочищенная нефть, дизельное топливо и бензин.
По причине нехватки энергетических ресурсов и все возрастающей тенденции генерации отходов биомассы, ведущие страны мира в 70-е годы ХХ века стали внедрять технологии по переработке образующейся биомассы с получением электрической и/или тепловой энергии.
Анализируя морфологический состав отходов, образующихся в процессе хозяйственной деятельности человека, видно, что на территории Удмуртской Республики отходы биомассы значительно превышают среднестатистические данные как Германии, так и России (рис. 1).

Рисунок 1. Сравнительный анализ генерации ТБО

Отходы животноводческих производств, как и бытовые отходы – это воспроизводимый источник энергии.
В Европе накоплен уже немалый опыт переработки отходов агропромышленного комплекса (свиноводческие и птицеводческие фабрики, фермерские хозяйства, разводящие крупный рогатый скот и занятые растениеводством). На рисунке 2 приведена диаграмма, показывающая, в каких масштабах повторно используются органические отходы в европейских государствах.
В Европе ежегодно количество повторно используемых органических отходов оценивается в 60 млн. тонн. Приведенные на рисунке 2 проценты взяты по отношению к 60 млн. тонн. Лидирующие позиции в Европе занимает Франция, на втором месте находятся Германия, Италия и Великобритания.

Рисунок 2. Количество повторно используемых органических отходов
и их распределение в Европе (более 60 млн. т)
 В частности, в Германии на рубеже 2000 г. работало уже более 40 предприятий, перерабатывающих органические отходы общим количеством примерно в 1,2 млн. тонн в год. В ноябре 1995 г. была запущена в эксплуатацию биогазовая установка в городе Грёден (земля Бранденбург), которая была создана по поручению коммунально-финансовой группы г. Гамбурга. На этом комплексе ежегодно перерабатывается 110 000 тонн сырого материала. Из них 75% составляет навоз крупного рогатого скота и свиней. Ежесуточно вырабатывается 10 000 м3 биогаза. Годовая выработка биогаза по его энергетическим возможностям соответствует энергии 2,4 млн. литров мазута.
В США выработка биогаза сос-тавляет 500 млн. м3 в год. Вырабатывают данный вид топлива более десяти крупных биогазовых заводов. Суммарная электрическая мощность установок, работающих на биогазе, около 200 МВт.
В Великобритании добывается в год около 200 млн. м3 биогаза. Суммарная мощность биоТЭС этой страны составляет около 80 МВт.
Во Франции добывается в год около 40 млн. м3 этого топлива.
В Дании работают 18 биогазовых заводов, способных ежегодно обрабатывать 1,2 млн. т биомассы (75% отходов животноводства и 25% других органических отходов), давая до 45 млн. м3 биогаза, что эквивалентно 24 млн. м3 природного газа.
В Китае эксплуатируется более 5 млн. семейных биогазовых реакторов (ферментеров), ежегодно производящих около 1,3 млрд. м3 биогаза, что обеспечивает газом для бытовых нужд свыше 35 млн. человек.
В Индии ежегодно вводятся в эксплуатацию 5,6 тыс. таких установок, дающих от 2 до 400 м3 биогаза в день.
В нашей стране переработке данного энергоносителя внимания уделяется мало. В то же время имеющийся ресурсный потенциал биомассы России практически неисчерпаем.
Вместе с тем необходимость платить экологический налог в соответствии с Киотским соглашением вынудила европейских фермеров и руководителей предприятий обратить внимание на целесообразность экологически безопасного освобождения навоза и в целом биомассы от метана и углекислого газа. Организация объединенных наций обратилась к мировому сообществу с предложением начать борьбу с ростом масштабов поступления веществ, интенсифицирующих развитие парникового эффекта в атмосфере Земли. Отсюда в соответствии с Киотским соглашением, подписанным и Россией, возник экологический налог. Он пропорционален количеству навоза, получаемого в хозяйстве. В нашей стране за каждую тонну навоза необходимо платить 248,5 руб. налога (Постановление Правительства РФ от 12 июня 2003 г. № 344). Отсюда появился интерес к проблеме использования биомассы.

Таблица 1. Энергетичексие показатели некоторых видов топлива и отходов
 В 2008 г. по заказу Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Удмуртской Республики в рамках Государственного контракта ООО «ГАРАНТ–ЭТЭ» разработало технико–экономическое обоснование по применению ресурсо–энергосберегающей технологии переработки отходов агропромышленного комплекса Удмуртской Республики на базе сельхозпредприятий Малопургинского района с оценкой энергетического потенциала образующихся отходов биомассы. Работа выполняется при творческом сотрудничестве ученых Института прикладной механики УрО РАН, ФГОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» и кафедры «Инженерная экология» ФГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» совместно с фирмами HAASE Energietechnik AG (ФРГ) и ЗАО ПО «Джет» по проектированию и изготовлению биоэнергетического комплекса по переработке отходов АПК.
Комплекс будет способен перерабатывать 40 тонн биомассы в сутки. Генерируемая мощность 600 кВт/ч. Эксплуатационные издержки самого комплекса составят не более 20% вырабатываемой энергии. В основе технологического процесса - биостабилизатор жидкого сбраживания и энергогенерирующий комплекс разработки фирмы HAASE Energietechnik AG.
Выход компоста после сбраживания в биостабилизаторе равен количеству загружаемой в установку биомассы. После сбраживания получается высококачественное биологически активное органическое удобрение, применение которого (14 600 тонн в год достаточно для внесения на площади 3 500 га) позволит повысить урожайность культур от 20% до 2 раз, улучшить структуру почвы и, что важно, снизить сорность полей, тем самым уйти от применения пестицидов. Полностью или частично отказаться от внесения в почву минеральных удобрений.
Помимо компоста, из установки биогаз ежесуточно поступает в специальные сборники. Он на 70% состоит из метана (СН4) и на 30% - из углекислого газа (СО2). Из емкости для биогаза последний компрессором перекачивается в специальную емкость высокого давления (до 7 МПа), где углекислый газ сжижается. Жидкая углекислота сливается и может поставляться потребителям для выполнения сварочных работ, для заправки огнетушителей. По дополнительной технологической схеме углекислота может переводиться в твердое состояние и использоваться как охладитель. Специалистами ООО «Гарант-ЭТЭ» и НПО «Восход» на базе СПК «Искра» разрабатывается технологический процесс по культивированию хлореллы с использованием излишков углекислого газа (СО2) в качестве пищевой добавки для скота и птицы, что значительно повысит рентабельность комплекса.
Остается метан, о котором идет речь. За сутки комплекс позволяет получить около 1500 м3 биогаза, за год это уже порядка 500 000 м3.
Много это или мало? Если исходить из расчета, что норма потребления  газа на одного человека в месяц 12 м3, то в теплое время года комплекс позволит обеспечить им ежесуточно около 3 000 селян.
Учитывая тот факт, что биоэнергетический комплекс работает в постоянном круглосуточном режиме, необходимо решить вопрос по реализации избытка энергии, особенно в летний период.
В Германии при эксплуатации установок такого типа весь получаемый метан идет на выработку электроэнергии, которую хозяйство напрямую продает в государственную сеть. Это  правильный прием - транспортировать и использовать электрическую энергию удобнее, чем работать с газообразным метаном.
В России такая схема не может быть осуществлена ввиду отсутствия нормативно-законодательной базы, регулирующей отношения частных генерирующих компаний с энергетическими сетями страны. Отсюда возникает проблема использования в хозяйстве излишков метана.
Ижевск является одним из центров в РФ по производству легких металлокомпозитных баллонов и сопутствующей арматуры. В эти баллоны метан может быть закачан до давления 320 ат. для дальнейшего использования в качестве топлива на автотранспорте или в других целях.
В столице Удмуртии разработана не уступающая американской своя технология изготовления баллонов (длиной до 6 метров и объемом до 500 литров) на отечественном оборудовании.
Однако существует проблема отсутствия отечественных доступных дешевых легких и малогабаритных компрессоров, которые могли бы быть использованы на комплексах для закачки биогаза в баллоны. Еще более перспективным использование таких компрессоров представляется для установки в автобусных, автомобильных и других хозяйствах, к которым имеется подвод газовой трубы, для организации своей мини-заправочной станции.
Если компрессор установить, например, в пикап грузового автомобиля «Москвич» , то можно получить мобильную заправочную станцию, которая будет работать без подвода электроэнергии, заправляя транспорт в любом доступном месте, или качать газ с малодебитных месторождений и факелов, так как привод компрессора работает на этом же перекачиваемом газе.
Опытный образец такого компрессора разработан и запущен в производство.
Для транспортировки и хранения газа в больших количествах разработан и запатентован контейнер, заполненный баллонами, в который  вмещается более 6000 м3 газа.

Преимущество постоянных ресурсов
Сельское хозяйство остается самым большим их поставщиком. При получении биогаза количество энергии значительно выше, но ниже по отношению к природному газу. Благодаря добавке энергетически богатых органических отходов, как отходы мясопереработки, топленый жир, меласса (кормовая патока) или рапсовый жмых, можно в 5 раз увеличить выработку биогаза по сравнению с чистым жидким навозом. Мелко порубленная солома удваивает содержание газа.
Развитие биоэнергетики в России является весьма актуальной государственной задачей по снижению энергозависимости сельскохозяйственного производства, обеспечению животноводства кормами, созданию дополнительных рабочих мест и дополнительному производству в аграрном секторе конкурентоспособной экспортной продукции.

Рисунок 3. Распределение суммарного количества органических отходов АПК в 2005 г. по федеральным округам, млн. т
Возможность производства биогаза по регионам России* (Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития: Науч.-ан.обзор. – М.:ФГНУ Росинформагротех», 2007. - 204 с.)