Развитие биогазовых технологий в России

На территории России продуцируется до 14-15 млрд. т. биомассы. Энергия химических связей этого количества биомассы эквивалентно 8,1 млрд. т. условного топлива.

По результатам исследований Института энергетической стратегии РФ общее количество органических отходов агропромышленного комплекса (АПК) России в 2005 г. составило 225 млн. т., 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 разработки универсальной биогазовой технологии и соответствующего оборудования.

Анализ отечественной и мировой литературы в области биогазовых технологий следует начать с освещения работ, проведенных в начале 60-х гг. прошлого столетия в Институте биохимии им. А.Н.Баха АН СССР. Именно эти исследования и их промышленное воплощение явились точкой отсчета в создании отечественной промышленной биоэнергетики и активного фундаментального исследования процессов биосинтеза метана и биогазификации.

С 1961 г. по 1964 г. на Грозненском ацетонобутиловом заводе проводились исследования по разработке технического регламента промышленной технологии и подбору оборудования для производства кормового витамина В12 и биогаза методом термофильного метанового брожения ацетоно-бутиловой барды на специально созданной опытно-промышленной установке с объемом опытного метантенка 200 м³.

В дальнейшем эта технология была внедрена на двух ацетонобутиловых заводах. Каждый цех, перерабатывая до 3000 м³ барды в сутки, производил до 30 тыс. м³ биогаза, который использовался как топливо в основном производстве и экономил до 25% природного газа.

Три критерия, определившие создание и развитие биогазовой промышленности в России (и ранее в СССР):

– разработка технологии и создание крупномасштабного производства витамина В12 и биогаза;

– теория о биологическом происхождении природного газа;

– огромная сырьевая база.

Идея была разработана и просчитана в 1972-1973 гг. и воплотилась в проект в 1979 г. Этот проект был поддержан руководством СССР и в 1980 г. включен в программу Государственного Комитета СССР по науке и технике.

По этой программе в период с 1980 г. по 1990 г. было построено три крупных биогазовых станции:

– г. Пярну бывшей Эстонской ССР (свинокомплекс на 30 тыс. голов);

– совхоз «Огре» Рижского района бывшей Латвийской ССР (свинокомплекс на 5 тыс. голов);

– колхоз «Большевик» Нижнегорского района Крымской обл. (свинокомплекс на 24 тыс. голов).

Вне проекта, но при поддержке государства, была построена опытно-промышленная биоэнергетическая станция на 50 тыс. голов птицы (Октябрьская птицефабрика, Истринский район, Московская обл.). Также вне проекта силами завода Химического машиностроения им. М.Фрунзе в г. Сумы была разработана и создана биогазовая установка «БИОГАЗ-1» на 3 тыс. голов свиней.

Развитие рыночной экономики и появление новых форм собственности в сельскохозяйственном производстве потребовали разработки высокорентабельных технологий и оборудования, работающих в любой климатической зоне и в любой российской глубинке, удаленной от централизованного энергообеспечения. Такие технологии и оборудование были созданы в 1992 г. ЗАО Центр «ЭкоРос»: индивидуальная биогазовая установка для крестьянской семьи (ИБГУ-1) и автономный биоэнергетический блок-модуль (мини-теплоэлектростанция - БИОЭН-1).

Установка ИБГУ-1 (рис. 2) перерабатывает до 200 кг отходов крупного рогатого скота и производит в сутки до 10-12 м³ биогаза и до 200 л жидких удобрений.

Успешная эксплуатация ИБГУ-1 в разных районах России способствовала переходу к разработке и созданию более совершенных биогазовых установок большей мощности с автономным энергообеспечением. Автономность этих установок может быть достигнута при условии ежедневной переработки не менее 500 кг отходов с влажностью 85%.

Рис. 2. Схема-разрез биореактора-метатенка ИБГУ-1

Сравнительный анализ выхлопных газов, полученных на работающем с номинальной мощностью биогазбензоэлектрогенераторе при сжигании в нем последовательно бензина и биогаза, показал, что при сжигании биогаза содержание СО в 45 раз меньше, углеводородов в 30 раз меньше, оксидов азота в 1,5 раза меньше, чем при сжигании бензина.

Оптимальный расход биогаза на производство 1 кВт·ч электрической энергии (220 В, 50 Гц на биогазбензоэлектрогенераторе АБ-4Т/400-М2 (БГ)) составил 0,55-0,6 м³/ч.

Оптимальный расход биогаза при эксплуатации газовой ИК-беспламенной горелки мощностью 5 кВт составил 0,8-1 м³/ч.

С 1992 по 2000 гг. было создано и установлено 85 комплектов ИБГУ-1 (79 - в России, 4 - в Казахстане, 3 - в Беларуси). В 1997 г. создано совместное китайско-российское объединение по производству таких установок в Китае.

Более мощная «фермерская» система БИОЭН-1 перерабатывает до 1 т. отходов в сутки и производит до 40 м³биогаза, который используется для получения электрической (80 кВт·ч/сут.) или тепловой энергии (0,14 Гкал/сут.) и до 1 т жидких удобрений. Стоимость исходных отходов крупного рогатого скота в Московской области составляет 100-200 руб./т, а рыночная цена произведенных удобрений (по месту производства) - уже 9 тыс. руб./т (в 2007 г.). Расход удобрений на 1 га в зависимости от выращиваемых культур составляет 1-3 т.

Собственные потребности в энергии на поддержание термофильного (52-53^ОС) процесса составляют 30%. Срок эксплуатации модуля не менее 10 лет.

Такая теплоэлектростанция работает, например, при животноводческой ферме Агроплем-фирмы «Искра» (д. Поярково Солнечногорского района Московской области) (рис. 3).

Модуль БИОЭН-1 может также собираться в батареи из 2-х, 3-х и 4-х комплектов для обработки отходов.

Рис. 3. Биоэнергетическая система на основе блок-модуля БИОЭН-1

В настоящее время эстафету по разработке новых биогазовых технологий и серийному производству биоэнергетических (биогазовых) систем ЗАО Центр «ЭкоРос» передало ЗАО «Сигнал», которое начало производство автономных биоэнергетических установок (АБЕУ) (рис. 4) с объемом биореакторов-метантенков от 7 до 480 м3 и более с производством в год от 4 до 254 тыс. м3 биогаза и установочной электрической мощностью - от 0,83 до 54 кВт, тепловой - от 2,5 до 152 кВт.

Рис. 4. Биореактор-метатенк и газгольдер теплоэлектростанции АБЭУ-20

Биогазовые технологии могут эффективно эксплуатироваться в любом климатическом регионе огромной России. Сама природа дает в руки человека инструмент, с одной стороны, для удержания баланса углекислоты на безопасном уровне («парниковый эффект»), с другой - для повышения урожая зеленой массы - источника энергии.

При интенсивном подъеме сельскохозяйственного производства России через несколько лет общий объем производимых органических отходов может составить 675 млн. т (по сухому веществу), а потенциальное производство биогаза - 225 млрд. м³/год.

Высокая рентабельность отечественных биогазовых технологий обеспечивается одновременным производством высокоэффективных органических удобрений, 1 т которых (по эффекту «на урожай») равноценна 70-80 т естественных отходов животноводства и птицеводства. Этим объясняется быстрая (1-2 года) окупаемость биогазовых установок и биотеплоэлектростанций.

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

Россия находится в зоне рискованного земледелия и по климатическим условиям, и по характеристике большая часть почв – малоурожайные подзолистые почвы, требующие постоянного внесения органических удобрений. Поэтому в средних и северных регионах Европейской России, в земледельческих районах Сибири потребность в органических удобрениях будет постоянной и она будет определяющей в развитии биогазовых технологий. Использование таких технологий и созданного на их основе оборудования позволит в ближайшие годы полностью решить в сельской местности проблему всех органических отходов, включая коммунальные стоки и ТБО, обустроить дома сельских жителей современными санитарно-гигиеническими системами европейского типа и оказать существенную помощь в решении проблем энергосбережения.

На рисунке 5 показаны схемы простейших биогазовых установок

Рис. 5. Схемы простейших биогазовых установок

а). с пирамидальным куполом: 1 — яма для навоза; 2 — канавка-гидрозатвор; 3 — колокол для сбора газа; 4, 5 — патрубок для отвода газа; 6 — манометр;

б). устройство для отвода конденсата: 1 — трубопровод для отвода газа; 2 — U-образная труба для конденсата; 3 — конденсат;

в). с коническим куполом: 1 — яма для навоза; 2 — купол (колокол); 3 — расширенная часть патрубка; 4 — труба для отвода газа; 5 — канавка-гидрозатвор;

г, д, е, ж — схемы вариантов простейших установок: 1 — подача органических отходов; 2 — емкость для органических отходов; 3 — место сбора газа под куполом; 4 — патрубок для отвода газа; 5 — отвод ила; 6 — манометр; 7 — купол из полиэтиленовой пленки; 8 — водяной затвор; 9 — груз; 10 — цельносклеенный полиэтиленовый мешок.