Опыт использования биомассы для получения биогаза

Большой энергетический потенциал и возобновляемый характер стимулируют развитие технологий получения энергии из биомассы. Сегодня использование биомассы в энергетических целях является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей возобновляемой энергетики.

В странах ЕС доля энергии, получаемой из биомассы, достигает 55% от всей энергии, вырабатываемой на базе возобновляемых энергоресурсов. Наиболее эффективно энергия биомассы используется в Португалии, Испании, Франции, Германии, Дании, Италии. Такие страны как Швеция и Австрия обеспечивают до 15% потребности в первичных энергоносителях за счет биомассы.

В США сегодня общая установленная мощность электростанций, использующих биомассу, составляет более 9000 МВт, что эквивалентно суммарной мощности атомных электростанций.

Для многих развивающихся стран Азии и Африки биомасса сегодня является основным источником энергии. В среднем, в этих странах биомасса обеспечивает 38% энергетических потребностей, а в некоторых, например, Непале и Кении – более 90%.

В Китае сельские жители газифицируют отходы сельского хозяйства, путем их переработки в биогазовых установках. При этом индивидуальная установка дает 6500 кВт^.ч энергии в год и 5 т органического удобрения.

Китай на сегодняшний день является мировым лидером по внедрению технологии производства биогаза. Суммарный выпуск биогаза в стране составляет 14 млрд м³/год. При этом Китай экспортирует как сам биогаз, так и двигатели на основе этого топлива более чем в 20 стран мира. По мнению экспертов, при сохранении текущих темпов роста биогазовой индустрии (а это практически ежегодное удвоение рынка) Китай выйдет в мировые лидеры по производству биогаза уже к 2020 году.

Китай получают биогаз с древних времен. Данные о первых биогазовых установках в Китае относятся к началу XVI века до нашей эры. В конце XIX века множество маленьких биогазовых установок работало в прибрежных регионах Китая.

Одной из первых биогазовых компаний в мире стала фирма Santou Guorui Biogas Lamp Company, основанная Луо Гуори в 1920 году. В 1935 году компанией была выпущена первая монография о биогазе, которая стала также первым трудом в мире, посвященным биогазу и строительству биогазовых установок. В 40-х годах XX века их начинают строить зажиточные китайские семьи.

Первые попытки развития биогазовой энергетики Китай сделал еще в 1958 г., когда появилась программа комплексного использования биогаза для утилизации навоза и улучшения санитарных условий на селе. Однако первые серьезные шаги осознавшего выгоды от использования этого ресурса как механизма модернизации сельского хозяйства, приходится к середине 1970-х годов. Именно тогда в сельских районах Китая стали появляться установки переработки канализационных стоков, получившие название «китайский купол», хотя правильнее было бы назвать ее «подземной биогазовой установкой для теплого грунта».

Сегодня такие бытовые установки объемом 6-8 кубометров производят биогаз, обеспечивающий 80% потребностей семьи из четырех человек (имеется в виду приготовление пищи). Большинство установок очень просты и после определенного обучения фермеры строят и эксплуатируют установки самостоятельно.

К 2005 году таких биогазовых реакторов в Китае насчитывалось более 10 млн, и ежегодно они производили более 7 млрд м³ биогаза. «Китайский купол» экономичен и довольно дешев при изготовлении. Его конструкция примечательна тем, что в ней нет никаких движущихся деталей, а сырье движется по ней самотеком. Конструкция состоит из входной трубы, герметичной ямы-реактора, выходной трубы для биогаза, выходной трубы для шлама и буферного накопителя шлама.

Биомасса должна быть нейтральной; если рН ниже 6, то необходимо добавить известковой воды. Время первичной ферментации - 1-2 дня летом и 3-5 дней зимой. Когда температура поднимется до 40-60°С, доливают воду настолько, чтобы до потолка оставалось пространство, равное примерно четвертой части высоты всей внутренней полости генератора. Эта вода и является гидрозатвором. Только после всего этого надвигают крышки, и процесс в дальнейшем проходит в герметичном пространстве. Ежедневно в установку добавляют свежее топливо и удаляют из буферной емкости отработанный шлам через загрузочно-разгрузочную трубу черпаком на длинной ручке либо специальным насосом.

Конструкция «китайского купола» не требует дефицитных материалов. На строительство наиболее распространенного 8-кубового устройства необходимо 730 кг цемента, 1,4 м³ песка и 1,5 м³ щебня.

Кроме малых фермерских установок, в Китае работают 40 тыс. больших и средних биогазовых станций и 24 тыс. биогазовых очистительных реакторов для обработки городских бытовых отходов. Только в 2010 г. было построено 4000 крупных биогазовых станций, функционирующих на основе отходов животноводческих ферм. В конце 2010 года, согласно статистике Министерства сельского хозяйства Китая, энергия из биогаза поступала на 40 млн ферм, что составляет 33% от всех китайских фермерских хозяйств.

За счет биогаза Китай обеспечивает около 30% своих потребностей в энергоносителях. Это позволяет Китаю сэкономить до 10 млн тонн нефти или любого другого топлива. Страна планирует к 2020 году обеспечить биогазом 300 млн человек.

В России, по результатам исследований Института энергетической стратегии РФ общее количество органических отходов агропромышленного комплекса (АПК) в 2005 г. составило 225 млн т (в расчете на сухое вещество; по энергосодержанию эквивалентно 80,6 млн т н.э.), включая:

– птицеводство – 5,8 млн т;

– животноводство – 58,3 млн т;

– растениеводство – 147 млн т;

– перерабатывающая промышленность 14 млн т.

Количество ТБО городов составило 16 млн т, осадки коммунальных стоков – 4,9 млн т. Как свидетельствуют приведенные выше данные, наибольшую массу среди органических отходов АПК занимают отходы растениеводства (солома, стебли, лузга и т.д.). Их переработка в биогаз одновременно с отходами животноводства и птицеводства требует универсальной биогазовой технологии и соответствующего оборудования.

Исследование современного АПК России, проведенное Институтом энергетической стратегии, показало, что до 50% производимой основной продукции приходится на индивидуальные крестьянские хозяйства. Поэтому развитие биогазовой промышленности будет идти по двум направлениям: созданием крупных биоэнергетических станций, и фермерских и крестьянских биогазовых установок.

Использование биомассы для получения биогаза позволяет решить не только энергетические (производство электроэнергии и тепла путем сжигания биогаза), но и экологические (утилизация отходов с.х. и пищевой промышленности) и агрохимические (производство удобрений) проблемы, что позволяет значительно повысить рентабельность биогазовых установок и существенно сократить сроки окупаемости.

Одной из самых прогрессивных областей РФ в использовании биомассы является Белгородская область. Действующая там биогазовая станция производит 8 млн кубометров биогаза. При этом в регионе насчитывается 1,3 тысячи ферм и комплексов, которые могут обеспечить сырьем 130 таких станций.

Одним из самых ярких примеров такой работы является биогазовая станция «Лучки» (рис. 6.1). Данная станция при производстве более 8 млн тонн кубометров газа в год имеет мощность в 2,4 МВт.

Рисунок 6.1 – Биогазовая установка в Белгородской области

Полученный газ позволяет выработать 19 млн кВт·ч электрической энергии и 18,2 тыс. Гкал — тепловой. Основным сырьем для работы станции являются органические отходы предприятий агропромышленного комплекса. Кроме того, станция как вторичный продукт переработки производит 66,8 тыс. кубометров удобрений. Учитывая количество фермерских хозяйств, животноводческих и других сельскохозяйственных комплексов в Белгородской области, и органического сырья, накапливаемого на этих площадках, планируется увеличить число биогазовых станций.

До 2015 года на территории Белгородской области планируется построить 56 биогазовых станций. Проектом занимается компания ОАО «Региональный центр биотехнологий», которая уже занималась в регионе строительством похожего проекта — станции мощностью 0,5 МВт, которая работает на отходах свиноводческих хозяйств.

Потенциал рынка биоэнергетики в России огромен и оценивается приблизительно в сто миллиардов евро. Однако эксперты подчеркивают, что догнать Европу в ближайшее время у России получится едва ли — только в Германии за последние 10 лет было построено более 8 тысяч биогазовых станций, в Чехии — порядка 500, в то время как на территории России в ближайшее время будет вводиться не более 2–3 биогазовых станций в год.

Ниже на рис. 6.2 приведены существующие биогазовые установки в Европе и в странах СНГ:

Рисунок 6.2 – Существующие биогазовые установки