Доклад с конференции «Возобновляемая и малая энергетика»

В 21 век мир вошел с огромной потребностью в энергии, добывать которую пока удобней по-старинке, то есть, извлекая ее из традиционных, невозобновляемых ископаемых видов топлива: угля, нефти и природного газа. Есть еще и энергия атома: за последние 10 лет Россия, несмотря на трагический опыт Чернобыля, ввела в эксплуатацию новые энергоблоки на атомных станциях. В связи с последними событиями на АЭС «Фкукусима-1» в Японии, многие страны мира отказались продолжать программы по развитию атомной энергетики.

Для примера самое свежее сообщение: власти Германии заявили, что к 2022 году в стране не останется ни одной АЭС. Россия же, оставаясь крупнейшим поставщиком электроэнергии в соседние страны, сворачивать атомную энергетику не планирует. Между тем, ситуация на сегодняшний день складывается таким образом, что дефицит топлива и электроэнергии могут испытывать не только страны, лишенные природных ископаемых, но и страны-экспортеры нефти, угля и природного газа, в том числе и Россия. Всем известна сложившаяся недавно ситуация под названием «бензиновый кризис», когда в некоторых регионах России из-за прекращения поставок топлива под угрозой оказалась посевная кампания.

Все эти события заставляют всерьез задуматься об извлечении энергии из чего-то другого. Здесь природа предоставляет человечеству выбор из так называемых нетрадиционных источников энергии — солнечной, ветровой, а также биогаза. Путешествуя по Европе, можно повсеместно увидеть ветрогенераторы, а также солнечные батареи на крышах жилых домов. Совсем недавно Евросоюз заявил, что к 2050 году Европа планирует пересесть на электромобили. Наши западные соседи задумались об экологии и экономии на топливе уже давно, еще с 1950-х годов прошлого века там ведутся широкомасштабные научные исследования по вопросам получения энергии из нетрадиционных источников. Но интерес к альтернативной энергетике то возрастает при неблагоприятной конъюнктуре отпускных цен на энергию, то утихает при достижении выгодных договоренностей со странами-экспортерами природных ископаемых. Наши восточные соседи — Япония — не захотели зависеть от нефте- и газопроводов и сделали ставку на АЭС. Результат всем известен: в стране сложная радиационная обстановка, власти предпочитают умалчивать правду не только от мирового сообщества, но и от своих граждан.

Совершенно очевидно, что нам стоить учесть опыт своих соседей и приглядеться повнимательнее к нетрадиционным способам получения энергии. К тому же, есть и опробованная технология получения биогаза, которую можно использовать в практически любом регионе нашей необъятной страны от Калининграда до Владивостока. Речь идет о биогазе. Солнечный или холодный у вас регион, ветреный или безветренный — все это совершенно неважно, биогазовые установки для получения энергии можно внедрить и с успехом использовать в любом регионе России.

Поговорим немного о самом биогазе. Приставка «био» говорит о происхождении этого топлива. Биогаз вырабатывается из биомассы — неископаемых органических веществ биологического происхождения. То есть, тот же навоз свиней и крупного рогатого скота, птичий помет, отходы растениеводства или пищевой промышленности — из всего, что раньше выбрасывалось, сжигалось, утилизировалось — из всего этого можно производить биогаз. Получение биогаза экономически оправдано и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, растительных отходов и так далее). Экономичность заключается в том, что нет нужды в предварительном сборе отходов, в организации и управлении их подачей; при этом известно, сколько и когда будет получено отходов. Получение биогаза особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где существует возможность полного экологического цикла. Полученный биогаз используют для освещения, отопления, приготовления пищи, для приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов. Таким образом, ферма или иное сельскохозяйственное предприятие может стать полностью автономной и не зависеть от стоимости и регулярности поставок нефти, угля, дров и электроэнергии.

Принцип получения биогаза прост, как и все гениальное. Получение биогаза из органических отходов основано на их свойствах выделять горючий газ в результате так называемого «метанового сбраживания» в анаэробных, то есть, без доступа воздуха, условиях. Биогаз, образующийся при метановом сбраживании, представляет собой смесь, состоящую из 50—80 % метана, 20—50 % углекислого газа, примерно 1 % сероводорода, а также незначительного количества некоторых других газов (азота, кислорода, водорода, аммиака, закиси углерода и других). Напомним, что 1 м2 метана при сгорании выделяет энергию, равную примерно 20—25 МДж.

В свою очередь, «метановое сбраживание» происходит при разложении органических веществ в результате жизне¬деятельности двух основных групп микроорганизмов. Одна группа микроорганизмов, обычно называемая кислотообразующими бактериями, или бродильными микроорганизмами, расщепляет сложные органические соединения (клетчатку, белки, жиры) в более простые, при этом в сбраживаемой среде появляются первичные продукты брожения — летучие жирные кислоты, низшие спирты, водород, окисид углерода, уксусная и муравьиная кислоты. Эти менее сложные органические вещества являются источником питания для второй группы бактерий — метанообразующих, которые превращают органические кислоты в требуемый метан, а так-же углекислый газ.

В этом сложном комплексе превращений участвует великое множество микроорганизмов, по некоторым данным — до тысячи видов, но главные из них все-таки матанообразующие бактерии. Отметим, что они значительно медленнее размножаются и более чувствительны к изменениям окружающей среды, чем кислотообразующие микроорганизмы-бродильщики, поэтому вначале в сбраживаемой среде накапливаются летучие кислоты, а первую стадию метанового сбраживания называют кислотной. Потом скорости образования и переработки кислот выравниваются, так что в дальнейшем разложение субстрата и образование газа идут одновременно. И естественно, от условий, которые создаются для жизнедеятельности метанообразующих бактерий, зависит интенсивность газовыделения.

Как кислотообразующие, так и метанообразующие бактерии встречаются в природе повсеместно, в частности в экскрементах животных. Считается, что в навозе крупного рогатого скота имеется полный набор микроорганизмов, необходимых для его сбраживания. И подтверждением этому является то, что в рубце и кишечнике жвачных животных постоянно идет процесс метанообразования. Следовательно, нет необходимости применять для получения биогаза чистые культуры метанообразующих бактерий для того, чтобы вызвать процесс брожения. Достаточно лишь обеспечить уже имеющимся в субстрате бактериям подходящие условия для их жизнедеятельности.

Для создания таких условий органические отходы сбраживаются в специальных бродильных камерах (биореакторах), где поддерживают строго анаэробную среду, а также соответствующие температурный и кислотный режимы и давление. Образование метана идет в достаточно широком интервале температур (от 8до 60 градусов Цельсия), при этом при определенных температурах в процессе сбраживания участвуют определенные виды бактерий.

Обычно различают три характерных уровня температур, предпочтительных для отдельных видов бактерий. Психрофильный режим идет при температуре 8—20 градусов Цельсия, мезофильный — при 30—40 градусов Цельсия, термофильный — при 45—60 градусов Цельсия. Более производительными считаются термофильный и мезофильный режимы сбраживания. Для нормального протекания брожения необходима слабощелочная реакция среды (рН=6,7—7,6). При оптимальной (ровной) активности кислотообразующих и метановых бактерий (то есть при установившемся процессе брожения) значение рН поддерживается в желательных пределах «автоматически». Однако иногда кислотообразующие бактерии начинают размножаться быстрее, чем метановые, из-за чего концентрация летучих жирных кислот в бродильной камере возрастает и происходит так называемое «закисление», в результате чего выход биогаза снижается, а кислотность био-массы увеличивается. В этом случае в содержимое биореактора следует добавить горячую воду, известковое молоко, соду. При нарушении баланса между азотом и углеродом его восстанавливают добавлением в биомассу коровьей мочи.

Сбраживаемая органическая масса не должна содержать веществ (антибиотики, растворители и т. п.), отрицательно влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов. Не способствуют «работе» микроорганизмов и некоторые неорганические вещества, поэтому нельзя, например, использовать для разбавления навоза воду, оставшуюся после стирки синтетическими моющими средствами.

Выработка биогаза зависит и от многих других причин. Например, на поверхности органической массы периодически образуются плавающая корка, мешающая выходу биогаза. Поэтому ее необходимо устранить, перемешивая содержимое биореактора 1—2 раза в сутки. Перемешивание способствует также равномерному распределению температуры и кислотности в биомассе, находящейся в камере сбраживания.

При нормальной работе реактора получаемый биогаз содержит 60—70% метана, 30—40% двуокиси углерода, небольшое количество сероводорода, а также примеси водорода, аммиака и окислов азота. Наиболее эффективны реакторы, работающие в термофильном режиме при 43—52 °С. При продолжительности обработки навоза 3 дня выход биогаза на таких установках составляет 4,5 л на каждый литр полезного объема реактора. В исходную массу для интенсификации процесса анаэробного сбраживания навоза и выделения биогаза добавляются органические катализаторы, которые изменяют соотношение углерода и азота в сбраживаемой массе. В качестве таких катализаторов используются глюкоза и целлюлоза.

Остаток, образующийся в процессе получения биогаза, или как его еще называют — шлам — содержит значительное количество питательных веществ и может быть использован в качестве удобрения. Состав остатка, полученного при анаэробной переработке животноводческих отходов, зависит от химического состава исходного сырья для биогаза, загружаемого в реактор. В условиях, благоприятных для анаэробного сбраживания, обычно разлагается около 70% органических веществ, а 30% содержится в остатке.

Основное преимущество анаэробного сбраживания заключается в сохранении в органической или аммонийной форме практически всего азота, содержащегося в исходном сырье.

Метод анаэробного сбраживания наиболее приемлем для переработки животноводческих отходов с точки зрения гигиены и охраны окружающей среды, так как обеспечивает наибольшее обеззараживание остатка и устранение пато¬генных микроорганизмов.

Жидкая фаза навоза после анаэробной переработки обычно отвечает требованиям, предъявляемым к качеству сточных вод природоохранными органами. Поскольку степень сбраживания, то есть, разложения органического вещества, достигает 30-40% и благодаря этому в основном происходит распад биологически нестабильных органических соединений, шлам лишен запаха, свойственного исходному субстрату. Гигиенический эффект анаэробного брожения обуславливается, прежде всего, тепловым воздействием в течение определенного отрезка времени. Отработанная жидкая органическая масса поступает через выгрузочную камеру в резервуар сброженной массы, а оттуда перекачивается в цистерны, с помощью которых вносят на поля обычную навозную массу.

На крупных свиноводческих и птицеводческих предприятиях ежегодно образуется более 3 млн. тонн органических отходов по сухому веществу, переработка которых позволит получить большое количество биогаза и, соответственно, миллионы киловатт энергии. Кроме того, в России имеется еще достаточно большое количество негазифицированных семейных подворий. Опыт стран, не обеспеченных природным газом (например, Китая), показывает, что отдаленные сельские местности целесообразно газифицировать с помощью малых биоустановок, работающих на органических отходах семейных подворий.

По данным Росстата за 2010 год, среднегодовое поголовье свиней в хозяйствах России составляло почти 17 млн. голов; для крупного рогатого скота эта цифра превышала 20 млн., для поголовья овец и коз соответственно около 22 млн., для птиц — около 35 млн. голов. Количество навоза и помета от такого поголовья в год: от свиней — 38,25 млн. тонн., от крупного рогатого скота — более 230 млн. тонн, овец и коз — 14,6 млн. тонн, птицы — 1,6 млн. тонн. И вся эта биомасса, из которой можно с пользой для себя и общества извлекать биогаз, остается невостребованной.

Теперь мы уже знаем, что самые обычные органические отходы сельского подворья — навоз животных, огородная ботва, сорняки и другая «органика» — в определенных условиях смогут стать источником столь необходимого в домашнем хозяйстве горючего газа, который сгодится для приготовления пищи, отопления помещения и получения горячей воды.

Биогаз если не полностью, то хотя бы частично может обеспечить потребности сельских жителей, владельцев дачных и садовых участков в топливе. Кроме того, при про¬изводстве биогаза отходы полностью идут в дело, в результате не только улучшается санитарное состояние территории, уничтожаются возбудители инфекционных заболеваний, исчезает неприятный залах гниющих растений, гибнут семена сорняков, но и образуются ценнейшие высококачественные органические удобрения, обладающие повышенным гумусным потенциалом.

Полученный в результате переработки биомассы биогаз целесообразно использовать в качестве источника получения теплоты. Его можно, например, применять непосредственно для подогрева воды, которая в этом случае пропускается через теплообменник — в этом случае потери энергии минимальны. Вторая возможность — использование биогаза в двигателе внутреннего сгорания, например, для привода электрогенератора, причем вода из системы охлаждения двигателя поступает в теплообменники. Опосредованный перенос теплоты с помощью теплового насоса связан с относительно высокими первоначальными затратами. Однако эта система утилизации теплоты представляет собой очень хороший способ использования энергии, в особенности там, где тепловой насос работает в сочетании с газовым двигателем и испаритель (или конденсатор) находится в непосредственном контакте со сбраживаемой массой. При получении электрического тока с помощью приводимого газовым двигателем генератора справедливо следующее отношение: 1 кубический метр биогаза дает 1,6 кВт/ч электроэнергии. Теплоту, получаемую при эксплуатации электрогенераторов в сельскохозяйственном производстве можно использовать для следующих целей:

• подогрева воды для бытовых нужд и содержания скота;
• отопления жилых помещений;
• подогрева воздуха для сушилок или создания нужного микроклимата в животноводческих помещениях;
• для создания необходимой температуры брожения в биогазовых реакторах;
• отопления теплиц.

Интерес к биогазовым установкам в России стал появляться после того, как наши ближайшие соседи, а именно: Латвия и Украина еще несколько десятилетий назад внедрили и успешно использовали их в совхозах и птицефабриках. Почему же российские сельхозпроизводители столько лет не заостряли внимание на этом вопросе? Причина очевидна: почивая на лаврах страны-экспортера природных ископаемых, легче и проще кинуть в топку угля, чем организовывать новый технологический процесс. Тогда почему сейчас все обратили взор на альтернативные источники энергии, и даже владелец небольшой фермы задумался об экономии? На этот вопрос легче всего ответить с помощью динамики роста цен на энергоносители, скажем, за последние 20 лет. Прибавить сюда общий рост цен, отсутствие поддержки сельхозпроизводителя со стороны государства, налоговое бремя — и стремление к экономии становится более чем понятным.

Компания «Росбиогаз» предлагает сельхозпроизводителям и предприятиям перерабатывающей промышленности решение проблемы с дорогими энергоносителями, а именно — услуги по установке и обслуживанию систем для производства биогаза. На сегодняшний день мы предлагаем два вида биогазовых установок: индивидуальные биогазовые установки, рассчитанные на небольшие фермерские хозяйства, и модульные биогазовые установки, рассчитанные под любой объем сырья. Индивидуальные биогазовые установки предназначены для малого объема загружаемого сырья, хорошо подходят для небольших фермерских хозяйств. Минимальный объем лимитируется только целесообразностью ее приобретения - мы выполним ее под заказ, именно под ваши исходные данные. Модульные биогазовые установки состоят из любого количества модулей, которые можно наращивать в любое время: при расширении производства, либо по мере очередного этапа финансирования.

В течение нескольких десятилетий в стране в небольших масштабах работали традиционные технологии биогазовых установок. Однако широкому их распространению мешал и продолжает мешать ряд объективных причин. Прежде всего, традиционная технология ориентирована на устоявшиеся, крупные сельскохозяйственные предприятия, так как экономическая целесообразность старой технологии возможна только при больших объемах реактора. Установка системы предполагала серьезные общестроительные работы и полную остановку процесса выработки биогаза при регламентных работах. Кроме того, средний расчетный срок эксплуатации традиционных установок не превышал 10 лет. А самое важное то, что при наращивании поголовья скота и соответственно, объемов отходов, увеличить объем резервуара биогазовой установки не представлялось возможным. Продать ее на более мелкую ферму также было невозможно из-за ее монолитности, то есть, установка вообще не подлежит демонтажу.

В отличие от традиционных технологий, предлагаемых различными производителями, компания «Росбиогаз» предлагает современные модульные системы, позволяющие трансформировать биогазовую установку в зависимости от ваших потребностей. Средний расчетный срок эксплуатации поставляемых нашей компанией биогазовых установок составляет 50 лет. За это время вы можете наращивать модульность вашей установки, в зависимости от потребностей. Особо стоит отметить, что наши установки собираются под любое количество сырья: от индивидуальных биогазовых установок до систем промышленного масштаба. Установки для получения биогаза от компании «РосБиогаз» можно легко перенести на новую площадку: частично или полностью. То есть, без проблем осуществляется перенос системы на другую ферму или продажа биогазовой установки. Одним из важных моментов является то, что при регламентных работах на наших установках нет необходимости полностью останавливать рабочий процесс — производство биогаза будет продолжено. Таким образом, основными отличиями наших биогазовых установок являются большой расчетный срок эксплуатации, возможность переноса и наращивания с помощью дополнительных модулей.

Специалисты компании «Росбиогаз» осуществляют полный цикл по внедрению биогазовых установок на ваше предприятие. Работы начинаются с разработки проектной документации на комплекс по производству биогаза, а также просчета эффективности. Затем наши специалисты монтируют установку «под ключ» или по варианту «шеф-монтаж». На этом наше взаимодействие с заказчиком не заканчивается: после завершения монтажных работ мы обучаем ваших сотрудников работе с биогазовой установкой, а в течение всего срока ее эксплуатации выполняем все предусмотренные регламентные работы. Также у наших заказчиков есть возможность постоянно получать бесплатные консультации по всем вопросам, связанным с эксплуатацией биогазовой установки.