Перспективы развития и экономическая целесообразность биогазовых технологий в Липецкой области

Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Естественно-географический факультет

Кафедра зоологии и экологии

Выпускная квалификационная работа

на тему: «ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ БИОГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ЛИПЕЦКОЙ ОБЛАСТИ»

Выполнил: студент 5 курса

Терехов Артем Сергеевич

Научный руководитель: доцент, к. б. н

Шубина Юлия Эдуардовна

Липецк - 2013



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. История развития биогазовых технологий

1.1 Биогазовые технологии в СССР и СНГ

2. Биомасса как источник углеводородного сырья

2.1 Использование биомассы в странах ЕС

2.2 Потенциал ВЭР в РФ

2.3. Характеристики и энергетический потенциал биогаза

3. Условия, источники и субстраты образования биогаза

3.1 Благоприятная среда обитания бактерий

3.2 Основные источники биоэнергетического топлива

3.3 Субстраты и их влияние на процесс разложения

4. Направления и технологии переработки биомассы

4.1 Термохимические методы

4.2 Биохимические методы

5. Перспективы и возможные выгоды биогаза в РФ

5.1 Законодательная база по ВИЭ в России

5.2 Причины роста рынка биогаза в РФ

5.3 Преимущества и выгоды использования биогазовых технологий

5.4 Проблемы развития биоэнергетики и ее критика в РФ

6. Ресурсы биомассы отходов для получения биогаза в Липецкой области

6.1 Органические отходы населенных пунктов

6.2 Отходы животноводства

6.3 Отходы растениеводства

6.4 Отходы перерабатывающей промышленности

Выводы

Литература

Приложение



ВВЕДЕНИЕ

Согласно Федеральному закону от 26 марта 2003 г. № 35-ФЗ «Об электроэнергетике» - «возобновляемые источники энергии - энергия солнца, энергия ветра, энергия вод, энергия приливов … биомасса, включающая в себя специально выращенные для получения энергии растения, в том числе деревья, а также отходы производства и потребления, за исключением отходов, полученных в процессе использования углеводородного сырья и топлива, биогаз, газ, выделяемый отходами производства и потребления на свалках таких отходов, газ, образующийся на угольных разработках» [1, ст. 3].

Актуальность выбранной темы обусловлена тем, что конец двадцатого столетия и наступивший XXI век ознаменовались значительным переосмыслением стратегических принципов развития энергетики. На фоне развернувшегося энергетического, экологического и финансово кризиса можно с уверенностью говорить, что эпоха использования ископаемых источников энергии подходит к концу [15, с. 4]. Причиной тому являются:

- исчерпание ископаемых ресурсов - согласно экспертной оценке, при существующих темпах экспорта нефти и нефтепродуктов России истощение запасов наступит после 2025 года, а природного газа после 2035 года [17, с. 4];

- экологические проблемы, связанные с деятельностью топливно - энергетического комплекса. В одном из важнейших политических заявлений, принятом ООН «Повестка дня на XXI век» [11, с. 121], содержится в отношении энергетики четкое высказывание: «Энергетика имеет важное значение для экономического и социального развития и улучшения качества жизни... Сокращение атмосферных выбросов парниковых и других газов и веществ во все большей степени следует добиваться за счет повышения эффективности производства, передачи, распределения и потребления энергии, а также за счет использования экологически обоснованных энергетических систем, особенно действующих на основе новых и возобновляемых источников энергии…»;

- постоянный рост стоимости топлива - связанный с истощением эффективных месторождений, удлинением транспортных путей, увеличением затрат на ликвидацию вредных выбросов и т.п.

Поэтому неудивительно, что в мире наблюдается интенсивный рост мощности установок, использующих возобновляемые виды энергии [9, с. 1].

Целью выпускной квалификационной работы: анализ возможности внедрения биогазовых установок на территории Липецкой области и возможный экономический эффект.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. анализ основных этапов становления и развития биогазовых технологий;

2. выявить источники биогаза и основные направления переработки биомассы;

3. показать выгоды использования биогазовых технологий;

4. вскрыть предпосылки развития биогазовой энергетики в России;

5. проанализировать перспективы внедрения биогазовых установок в Липецкой области.

Методологической основой исследования является метод теоретического анализа научной, нормативно-правовой и методической документации. В процессе исследования использовались такие общенаучные методы и приемы как изучение отечественной и зарубежной практик, математическая обработка полученных результатов, сравнение, классификация и обобщение полученных данных.



1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ БИОГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Использование биогаза имеет длительную историю, еще начиная, с XVII века до нашей эры были зафиксированы отдельные случаи использования примитивных биогазовых технологий в Китае, Индии, Персии. Однако систематические научные исследования биогаза начались только в XVIII веке нашей эры [13, с. 9]. Первые систематические исследования биогаза начал итальянский естествоиспытатель Александр Вольта еще в 1770 г. Только в 1821 г. исследователю Амедео Авогадро удалось установить химическую формулу метана СН₄ [26, с. 11].

Изучением образования биогаза занимались и российские ученые, например Попов, который в 1875 году исследовал влияние температуры на количество выделяемого газа. В 1881 году, начались опыты европейских ученых по использованию биогаза для обогрева помещений и освещения улиц. В результате уже с 1895 года, уличные фонари в одном из районов города Эксетер (Англия) снабжались газом, который получался в результате брожения сточных вод [13, с. 9]. Мощным импульсом к развитию технологии стало открытия анаэробного гниения, с помощью которого можно очищать сточные воды. С 1906 года в Германии на территории региона Рур началось систематическое строительство анаэробных установок по очистке сточных вод [26, с. 10]. В 1911 году в английском городе Бирмингеме был построен первый завод по производству биогаза, который использовался для обеззараживания осадка сточных вод этого города. Вырабатываемый биогаз использовался для производства электроэнергии. Таким образом, английские ученые являются пионерами практического применения новой технологии. Сегодня биогазовые технологии стали стандартом очистки сточных вод и переработки сельскохозяйственных и твердых отходов и используются в большинстве стран мира [13, с. 9-10].



1.1 Биогазовые технологии в СССР и СНГ

В СССР работы по промышленному получению и использованию биогаза начались в 60-х годах прошлого века. Уже тогда проводились работы по энергетическому использованию коммунально-бытовых, лесных и сельскохозяйственных отходов [41]. В середине 70-х годов, с наступлением мирового энергетического кризиса, руководство СССР решило проводить в стране политику энергосбережения. Кроме того, в сельском хозяйстве стали применяться интенсивные технологии, было создано много крупных животноводческих комплексов, которые столкнулись с проблемой утилизации навозных стоков. В этой связи интерес к биогазовым технологиям возрос, и в 1981 г. при Госкомитете по науке и технике СССР была создана специализированная секция по программе развития биогазовой отрасли промышленности. Однако из-за недостаточного обеспечения денежными и материальными ресурсами, многие из намечавшихся мероприятий по освоению технологии анаэробной переработки биомассы остались невыполненными. Несмотря на это, нельзя назвать период 70-х - начало 90-х годов безрезультатным. За это время была создана научная основа технологий микробиологической анаэробной переработки биомассы. Было построено несколько опытных установок.

В настоящее время в странах СНГ интерес к получению энергии и биоудобрений путем переработки сельскохозяйственных отходов значительно возрос. Этому способствуют высокая стоимость энергоресурсов и удобрений, а также ухудшающееся состояние окружающей среды. Однако из-за низкой информированности фермеров о практических путях внедрения биогазовых технологий, а также высокой начальной стоимости биогазовых установок, общее число БГУ, в странах СНГ не превышает нескольких сотен [13, с. 14].



2. БИОМАССА КАК ИСТОЧНИК УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

Ежегодно в биосфере Земли прирастает 110 млрд. т одной фитомассы, причем более 96 % указанного объема находится за пределами возделываемых угодий. Приведенная величина отвечает получению в год 2 000 млрд. ГДж энергии, если принять среднюю теплотворную способность сухой биомассы за 18 ГДж/т [14, с. 205].

2.1 Использование биомассы в странах ЕС

Вклад биомассы в общий энергобаланс Европейского союза в 2004 г. составлял 4,13 % от общего объема потребляемых энергоресурсов, а вклад ВИЭ - 6,26 %. Биомасса составляет около 2/3 всех возобновляемых источников энергии в Европе.

Последнее десятилетие характеризуется высокими темпами роста объема ВИЭ в ЕС, особенно биомассы.

По различным причинам - историческим, экономическим, техническим - биомасса используется неравномерно. Из 72,3 Мтнэ 66,8 % идет для производства тепла, 30,5 % - для производства энергии и 2,7 % - для производства жидкого моторного топлива. Источником биомассы служат лесное (61,5 Мтнэ), сельское хозяйство (3,5 Мтнэ) и еще 7,3 Мтнэ производится из отходов.

Уровень использования биомассы в разных странах ЕС различается и зависит от доступности ресурсов биомассы, плотности населения, исторического опыта развития энергетики и эффективности политической поддержки.

По объему использования биомассы лидируют Франция, Германия, Швеция и Финляндия, в долях от внутреннего потребления энергоресурсов - Латвия, Финляндия, Швеция и Дания.

В Латвии, которая следует примеру Скандинавских стран, произведенная на биомассе энергия составляет 29,7 % общего потребления (4,4 Мтнэ). Во Франции на биомассе в 2004 г. произведено 11,9 Мтнэ (4,4 % общего потребления в 270,6 Мтнэ) [21, c. 9].

При совместном производстве тепла и электроэнергии, а также при производстве биогаза коэффициент полезного действия колеблется от 50 до 90 % в зависимости от технологии [23, c. 25].

Производство жидкого моторного топлива (этанола и биодизеля) менее эффективно: коэффициент полезного действия в самых оптимальных условиях в настоящее время не превышает 55-60 %, очень многое зависит от того, какая сельскохозяйственная культура используется, и какова ее урожайность [21, c. 12].

2.2 Потенциал ВИЭ в РФ

Потенциальные возможности России в плане широкомасштабного и эффективного использования биомассы, весьма велики.

На территории России ежегодно конвертируется до 227 Ч 10²¹ Дж солнечной энергии и продуцируется до 14-15 млрд. т биомассы в результате усвоения 21-22.5 млрд. т СО₂. Энергия химических связей этого количества российской биомассы составляет 0.24 Ч 10²¹ Дж, что эквивалентно 8.2 млрд. т условного топлива или нефтяного эквивалента [17, c. 11].

Биогаз, самопроизвольно образующийся при распаде органических отходов, вносит значительный эффект в образование парниковых газов, поэтому его утилизация для нужд общества является важным вкладом в выполнение договоренностей по Киотскому протоколу [10, c. 2].

В соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2020 г. технический потенциал возобновляемых источников энергии составит около 4,6 млрд. т н.э. в год, т.е. в 5 раз превысит объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России, а экономический потенциал определен в 270 млн. т н.э. в год, что немногим больше 25 % от годового внутреннего потребления энергоресурсов в стране [4].

По данным Федерального агентства кадастра объектов недвижимости площадь земельного фонда Российской Федерации на 1 января 2008 г. составила 1709,8 млн. га без учета внутренних морских вод и территориального моря [39].

На 1 января 2008 г. площадь земель сельскохозяйственного назначения составила 403,2 млн. га или 23 % от общего земельного фонда. Часть из них используется для получения продукции сельского хозяйства и выделены в качестве сельскохозяйственных угодий. Их площадь в составе земель сельскохозяйственного назначения на конец 2007 г. составляла 195,6 млн. га.

Это немногим больше 11 % от общего фонда российской земли и 48,6 % категории земель сельскохозяйственного назначения. При этом Россия занимает первое место в мире по наличию плодородных земель (рис. 1). Последние годы отличаются негативными изменениями в использовании площадей и структуре сельскохозяйственных угодий [14].

Рис. 1. Плодородные земли, млн. га [21, с. 14]

Службы государственного земельного контроля ежегодно обнаруживают большие массивы неиспользуемых угодий (в 2003 г. - 8,4 млн. га), факты нецелевого их использования (в 2003 г. - 0,5 млн. га).

На всей территории России деградирует почвенный покров, снижается продуктивность сельхозугодий, расширяются ареалы их подтопления, загрязнения и захламления.

Идет зарастание кормовых угодий кустарником и мелколесьем. Значительная часть сельхозугодий (12,9 млн. га) находится в составе земель запаса и тоже зарастает, теряя сельскохозяйственную ценность. На сегодняшний день в России остаются невостребованными около 20 млн. га продуктивной пашни. Этот ресурс можно было бы использовать для выращивания энергетических сельскохозяйственных культур, к примеру, рапса [19, с. 12].

Россия располагает достаточной сырьевой базой для развития биоэнергетики. Это, прежде всего, органические отходы АПК, городов и лесопереработки. В настоящее время ежегодный объем производимых органических отходов АПК и городов по регионам России в сумме составляет почти 700 млн. т (рис. 2).

Рис. 2. Распределение суммарного количества органических отходов АПК в 2005 г. по федеральным округам, млн. т [21, с. 15].



Из этого количества отходов можно ежегодно получать до 58 млн. м³ биогаза, до 90 млн. т пеллет, до 330 тыс. т этанола [21, с. 15].

2.3 Характеристики и энергетический потенциал биогаза

Технические классификации биомассы многочисленны и варьируются в зависимости от свойств исходного продукта, принимаемых за таксономический признак. В работе биомасса по составу и агрегатному состоянию подразделяется на сухую (древесина и т. п.), жидкую (сточные воды) и сахарную (твердые отходы сахарной промышленности) [14, с. 206].

Применяемые горючие газы в зависимости от их образования и характеристик горения делятся на группы (табл. 1).

Таблица 1. Группы горючих газов в зависимости от их образования и характеристик [21, с. 203]

	Группа	Наименование
NG	Натуральные газы	Природный газ Сжиженный природный газ: пропан, бутан ПНГ (попутный нефтяной газ)
NNG	Биогазы	Газ сточных вод Газ мусорных отходов - свалочный газ биомасс и прочие биогазы
	Синтетические газы	Газы с Н2 > 30 % объема (коксовый, древесный)

Биогаз - смесь газов растительного и животного происхождения, образующаяся при разложении органических отходов, высокоэнергетическое топливо с малым количеством вредных выбросов СО₂ [22, с. 120].

Биогаз содержит около 60-70 % метана, 30-35 - углекислого газа, 2-3 - азота, 1-2 - водорода и до 1 % кислорода, при этом низшая теплота сгорания не превышает 20-22 МДж/м³, а метановое число составляет 110-120 (рис. 3).

Биогаз как моторное топливо по сравнению с нефтяными моторными топливами имеет более высокую детонационную стойкость, низкую эмиссию вредных веществ и наименьший зольный балласт [23, с. 7].

Теплота сгорания 1 м³ биогаза эквивалентна: сгоранию 0,6 л бензина, 0,85 л спирта, 1,75 кг дров или выработке 2 кВт*ч электроэнергии [21, с. 205-206].

Рис. 3. Метановое число биогаза в сравнение с другими топливами [21, с. 206]

Таким образом, общими особенностями биомассы, как энергетического топлива, являются:

џ высокая реакционная способность;

џ повышенная взрывоопасность и пожароопасность [7];

џ крайне нестабильная влажность;

џ неоднородный гранулометрический состав.

В то же время следует отметить достаточно высокие экологические характеристики биомассы:

џ низкая зольность;

џ низкое содержание серы;

џ снижение загрязнения атмосферы таким парниковым газом, как СО₂, за счет рециркуляции углекислого газа;

џ низкое содержание хлора в минеральной части [22, с. 123 - 127]

биогаз органический энергетический растениеводство



3. УСЛОВИЯ, ИСТОЧНИКИ И СУБСТРАТЫ ОБРАЗОВАНИЯ БИОГАЗА

Биогаз выделяется при разложении органических веществ, закрытых от доступа воздуха. Речь идет об анаэробном процессе распада органической массы. Органические вещества (жиры, углеводы и белки) разлагаются микроорганизмами до молекулярного уровня. Такое анаэробное превращение обеспечивается различными штаммами бактерий. Схематически это можно представить как поэтапный процесс (рис. 4).

Рис. 4. Схематическое представление анаэробного разложения [25]

Первый этап разложения называется «гидролиз». На данном этапе вещества с длинной молекулярной цепью (углеводы, белки и жиры) разлагаются на более короткие составляющие, например моносахариды, глицерин, жировые кислоты и аминокислоты. Это происходит с помощью энзимов, которые вырабатываются и высвобождаются гидролитическими бактериями.

На втором этапе (окисление) ферментационные микроорганизмы принимаются за промежуточные продукты (моносахариды, жировые кислоты, аминокислоты) и включают их в свой обмен веществ. В качестве конечного продукта возникают преимущественно короткоцепочные жировые кислоты, например уксусная, пропионовая, масляная. В меньших количествах образуются молочные кислоты, спирты, водород и диоксид углерода.

Этап образования уксусной кислоты (ацетогенез) является переходом от окисления к выработке метана. Исходными субстратами являются конечные продукты фазы окисления, т. е. короткоцепочные жировые кислоты (например, пропионовая и масляная). Вместе с молочными кислотами, спиртами и глицерином эти вещества превращаются ацетогенными микроорганизмами в уксусные кислоты, водород и CO₂. Поскольку ацетогенные бактерии жизнеспособны только при низком содержании водорода, но сами его вырабатывают, следует отметить их симбиоз с метановыми бактериями. Последние используют водород как субстрат, обеспечивая, таким образом, достаточно низкое парциальное давление водорода.

Последним этапом является непосредственно производство метана (метаногенез). Задействованные бактерии являются строго анаэробными и очень чувствительны как к свету, так и к колебаниям температур. Метановые бактерии специализируются на ограниченном количестве веществ, примерно 70% из них перерабатывают уксусные кислоты, остальные 30% -- известные виды водорода и диоксида углерода.

В завершение поэтапного процесса ферментации выделяется газовая смесь, которая с технической точки зрения и является биогазом. Ее состав не является неизменным, он колеблется в определенных пределах, обуславливая разный уровень качества в зависимости от того или иного содержания метана. Чем больше в полученном биогазе метана (CH₄), тем выше его калорийность. Чем больше доля легко разлагающихся веществ (например, крахмалов, жиров) в субстрате, тем больше выработка газа [25, с. 156].

3.1 Благоприятная среда обитания бактерий

С тем, чтобы бактерии могли эффективно работать в анаэробном процессе им нужно создать определенные жизненные условия, которые описаны ниже.

1. Влажная среда

Метановые бактерии могут жить и размножаться, когда субстраты в достаточной мере растворены в воде (в составе минимум 50 % воды).

2. Поддержка анаэробных условий в реакторе

Жизнедеятельность метанообразующих бактерий возможна только при отсутствии кислорода в реакторе биогазовой установки, поэтому нужно следить за герметичностью реактора и отсутствием доступа в реактор кислорода.

3. Исключение попадания света

Хотя свет и не является для бактерий смертельным, он замедляет процесс. Исключить влияние света на процесс на практике можно с помощью светонепроницаемой крышки [13, с. 16].

4. Температура ферментации.

От температуры ферментации зависит скорость анаэробного разложения. Различаются приведенные ниже диапазоны температуры, благоприятные для тех или иных штаммов бактерий.

* 25 °C (психрофильные штаммы)

* 32--42 °C (мезофильные штаммы)

* 50--57 °C (термофильные штаммы)

В зависимости от субстрата более высокая температура обуславливает ускорение разложения с одновременным сокращением выдержки.

5. Соотношение содержания углерода и азота

Если соотношение C/N чрезмерно велико, то недостаток азота будет служить фактором, ограничивающим процесс метанового брожения. Если же это соотношение слишком мало, то образуется такое большое количество аммиака, что он становится токсичным для бактерий.

6. Уровень рН

В то время как гидролизирующие и кислотообразующие бактерии в кислой среде с уровнем pH 4,5-6,3 достигают оптимума своей активности, бактерии, образующие уксусную кислоту и метан могут жить только при нейтральном или слабощелочном уровне pH 6,8-8. Для одноступенчатых технологий следует выдерживать уровень pH для метанообразования (оптимум 7). Субстраты, которые быстро окисляются, приводят к резкому падению уровня pH; поэтому их следует добавлять только в ограниченном количестве и постепенно [26, с. 204].

7. Подача питательных веществ

Для роста и жизнедеятельности метановых бактерий необходимо наличие в сырье органических и минеральных питательных веществ. В дополнение к углероду и водороду, создание биоудобрений требует достаточного количество азота, серы, фосфора, калия, кальция и магния и некоторого количества микроэлементов - железа, марганца, цинка и других. Обычное органическое сырье - навоз животных содержит достаточное количество вышеупомянутых элементов.

8. Большая площадь поверхности сырья

Принципиальным является, что чем мельче субстрат, тем лучше. Чем больше площадь взаимодействия для бактерий и чем более волокнистый субстрат, тем легче и быстрее бактериям разлагать субстрат.

9. Равномерная подача субстрата

С целью недопущения перекармливания бактерий, лучше всего равномерно подавать субстрат в ферментатор через короткие интервалы времени.

10. Регулярное перемешивание

Для эффективной работы биогазовой установки и поддерживания стабильности процесса сбраживания сырья внутри реактора, необходимо периодическое перемешивание.

11. Замедляющие вещества

Некоторые вещества повреждают оболочку клеток или структуру бактерий (стиральные порошки и т.д.), другие вещества разрушают энзимы обмена веществ клетки (тяжелые металлы и т.д.). Антибиотики, химиотерапевтические и дезинфицирующие средства могут сдерживать процесс брожения и привести к его полной остановке, особенно при их высокой концентрации [13, с. 17].

3.2 Основные источники биоэнергетического топлива

Основные источники биоэнергетических энергоресурсов включают в себя:

- отходы сельскохозяйственного производства;

- органические отходы промышленности, в том числе лесной, деревообрабатывающей, гидролизной, целлюлозно-бумажной, пищевой, мясо-молочной;

- осадки сточных вод;

- отходы коммунального производства (ТБО и жидкие).

Наиболее значительным возобновляемым биоресурсом является древесина, запасы (лесные массивы) которой в России составляют свыше 25 % общемировых. В результате прореживания, необходимого для поддержания культурного уровня лесов, в Европе, например, получают 0,9 т древесной биомассы с гектара.

Использование древесной биомассы только за счет ее прироста позволяет не только выработать значительный объем тепловой и электрической энергии, но и стимулировать лесостой и культурный уровень лесов (уменьшить загрязнение рек и ручьев, удалить потенциальный источник пожаров и гниения, проводить регулярную чистку лесных массивов) [22, с. 256].

3.3 Субстраты и их влияние на процесс разложения

При оценке субстрата следует учесть, что только из сухой массы, и в этом случае, только из ее органической части можно произвести метан. Поэтому содержание органической сухой массы в соотношении с общей массой является первым критерием для выбора составляющих смеси субстратов. Не удивительно, что количество добытого газа из 1 тонны зерна в несколько раз выше, чем при использовании силоса из целого растения либо барды, которые содержат значительно большее количество воды, из которой нельзя образовать газа.

Органическое вещество состоит из протеина, жиров, а также легко и тяжело разлагаемых углеводов [20, с. 158].

Максимальное количество метана в биогазе получаем из протеинов - 71%; жиры также дают газ высокого качества с содержанием метана 68%. Хуже всего результаты у углеводородов - лишь 50% метана в газе. Таким образом, четко видно, что нет единого показателя выхода газа. В случае изменения состава смеси субстрата, колеблется также и выход газа, и его качество. Если исходить исключительно из выхода газа, предпочтение стоит предавать смесям субстратов с высоким содержанием жиров и протеинов [26, с. 117].



4. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ БИОМАССЫ

Основные направления и технологии переработки биомассы показаны на рис. 5.

Рис. 5. Схема основных направлений и технологий переработки биомассы [14, с. 207].

4.1Термохимические методы

Пиролиз - термическое разложение биомассы в процессе ее нагрева без кислорода или частичное сжигание при малом количеств кислорода. Сырьем в этом процессе служит древесина, отходы при переработке древесины, твердые бытовые отходы, уголь, подсушенный навоз.

Процесс проводится в несколько стадии: при температурах 100 - 120 °С поступающий материал прогревается и освобождается от влаги, при температуре 275 °С извлекаются уксусная кислота, метанол, выделяются азот, монооксид углерода и диоксид углерода.

Далее следуют экзотермические реакции: в диапазоне температур 280-350 °С выделяются летучие химические вещества типа фенолов, эфиров; свыше 350 °С выделяются все типы оставшихся летучих соединений, возрастает содержание водорода и метана, остается углистое вещество - древесный уголь с большим содержанием минеральных соединений.

Древесный уголь является ценным энергетическим продуктом с содержанием 75-80 % углерода и теплотой сгорания 30 МДж/кг. Широко применяется в качестве топлива в быту в развивающихся странах, в химической н металлургической промышленности, медицине.

Газообразные продукты при пиролизе - это синтез-газ, представляющий смесь водорода Н₂ и монооксида углерода СО, которые используются в качестве топлива для поддержания процесса пиролиза либо в различных тепловых двигателях [20, с. 154].

Экстракция масел. Способность растительных масел служить топливом для двигателей внутреннего сгорания известна издавна. Действительно, рапсовое масло соответствует традиционному соляру по теплотворной способности, отличаясь более высокими показателями вязкости и температуры воспламенения. Все растительные масла тяжелее традиционного дизельного топлива и вязкость их существенно выше.

Тем не менее, при температуре 100 °С вязкость всех масел резко уменьшается, составляя в среднем 6,8 мПа с. Таким образом, подогревание масляного топлива перед поступлением в форсунки дизелей решит проблему подвижности масла.

Гидролиз. Важнейшая составная часть фитомассы, целлюлоза, представляет собой природный полимер, при гидролизе деполимеризующийся до моносахаридов:

(С₆H₁₂O₅)_n + nH₂O = nC₆H₁₂O₆

Процесс протекает в растворах серной/ соляной кислот при атмосферном давлении и температуре 185 °С. Далее получаемые моносахариды подвергаются аэробному сбраживанию с образованием этилового спирта:

C₆H₁₂O₆ = 2C₂H₅OH + 2CO₂ [14, с. 208-211].

4.2 Биохимические методы

Среди различных биохимических методов конверсии биомассы наибольшее распространение имеют два процесса: аэробное сбраживание, в результате которого образуется этанол, и анаэробная переработка, позволяющая получить конечные продукты в виде биогаза и ценных органических удобрений [25, с. 530].

Аэробное сбраживание. Гидролизат ферментируется дрожжами при температурном режиме 30...38 °С и в условиях перемешивания.

По окончанию процесса брожения жидкость, содержащая 4...5 % C₂H₅OH, отфильтровывается и перегоняется.

Перегонка дает спирт с концентрацией 50...70, а затем 90...95 %. Дистилляция получаемого этанола - наиболее технологически сложная и энергетически затратная стадия технологического процесса аэробного сбраживания.

Технология аэробного сбраживания перспективна в отношении переработки жома сахарного тростника - багассы. Багасса является крупнотоннажным отходом тростниково-сахарного производства.

Гидролиз багассы и последующее сбраживание гидролизата обеспечивают высокий, до 52 % от растворимого вещества жома, выход этанола [14, с. 211].

Производство этанола в мире в 2008 г. составило 65 527 млн. литров. Из них на долю Бразилии приходилось 24 465 млн. м³, на долю США - 34 776 млн. м³.

Из 12 млн. автомобилей Бразилии 5 млн. машин заправлялись этанолом [48].

В двигателях внутреннего сгорания может применяться как 95 %-ный этанол, так и обезвоженный 100 %- ный продукт.

Этанол прекрасно горит, выдерживает ударные нагрузки без взрыва. Мощность двигателя, работающего на смеси бензина и спирта, возрастает на 20 % по сравнению со сжиганием чистого бензина.

Биоэтанол как топливо нейтрален в качестве источника парниковых газов.

Он обладает нулевым балансом диоксида углерода, поскольку при его производстве путём брожения и последующем сгорании выделяется столько же CO₂, сколько до этого было взято из атмосферы использованными для его производства растениями.

В 2006 году применение этанола в США позволило сократить выбросы около 8 млн. т парниковых газов (в СО₂ эквиваленте), что примерно равно годовым выхлопам 1,21 млн. автомобилей [31, с. 17].

Анаэробное сбраживание в противоположность ферментации превращает существенно большее количества веществ растительного и животного происхождения в метан.

Сбраживание является эффективным процессом переработки биомассы, поскольку большая часть энергии исходного сырья переходит в образующийся метан, и только малая ее часть потребляется клетками микроорганизмов.

Содержание СН₄ в биогазе изменяется от 50 % при переработке домашнего мусора до 70 %, если ферментируются трава или сосновая хвоя.

Верхним пределом теплотворной способности чистого, осушенного СН₄, равна 41,9 МДж/м³.



Рис. 6. Удельный выход м³ биогаза при сбраживании биомассы (в пересчете на сухое вещество) различного происхождения [14, с. 213].

Как правило, анаэробному сбраживанию подвергаются органические отходы, в т. ч. навоз крупного рогатого скота. Твердый остаток биомассы после сбраживания представляет собой высококонцентрированное азотно-фосфорное удобрение и корм для рыбоводческих хозяйств [14, с. 213].



5. ПЕРСПЕКТИВЫ И ВОЗМОЖНЫЕ ВЫГОДЫ БИОГАЗА В РФ

5.1 Законодательная база по ВИЭ в России

Первые шаги российского Правительства в направлении развития возобновляемых источников энергии были сделаны с внесения поправок 4 ноября 2007 г. в Федеральный закон № 35 «Об электроэнергетике», в которых было введено понятие «возобновляемых источников», названы источники энергии, которые государство относит к возобновляемым, обозначены основные направления, принципы и методы поддержки ВИЭ [1 ст. 6].

В 2008 году правительство РФ, в русле реализации идеи инновационной экономики, приступило к созданию нормативно-правовой базы развития альтернативной энергетики. К тому времени доля всех ВИЭ в энергобалансе России составляла менее 0,9 % (8,5 млрд. кВт*ч в год), из них 0,5 % приходилось на биомассу и биогаз, 0,3 % на малую гидроэнергетику [34].

В июне 2008 года был подписан указ президента «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики», в соответствии с которым за счёт поддержки и стимулирования реализации проектов ВИЭ энергоёмкость ВВП страны в 2020 году должна понизиться на 40 % по сравнению с 2007 годом [2].

Постановление Правительства РФ № 426 от 3 июня 2008 г. «О квалификации генерирующего объекта на основе возобновляемых источников энергии», которое определяет генерирующий объект, имеющий право на государственную поддержку [3, ст. 3].

Другой документ - Приказ Минэнерго от 17 ноября 2008г. № 187 «О порядке ведения реестра выдачи и погашения сертификатов, подтверждающих объем производства электрической энергии на квалифицированных генерирующих объектах, функционирующих на основе использования возобновляемых источников энергии» устанавливает систему выпуска и возмещения сертификатов, подтверждающих генерацию на основе возобновляемых источников. А также устанавливает для различных источников энергии сертификаты разного вида, в целях большей гибкости системы стимулирования [5].

В январе 2009 года премьер России Владимир Путин утвердил «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года» - программу развития альтернативной энергетики в России. Программой предусматривается постепенное увеличение доли альтернативной энергетики в энергобалансе страны: к 2010 году до 1,5 %, к 2015 году до 2,5 %, к 2020 году до 4,5 %. Главным лоббистом программы выступало ОАО «РусГидро» [4, ст 15].

Можно отметить, что существующая система уже обретает свои контуры, однако, дальнейшие решения Минэнерго могут довольно существенно повлиять на окончательный вариант схемы поддержки генерации на основе ВИЭ. Это связанно, в основном, с декларативным характером принятых документов [15].

5.2 Причины роста рынка биогаза в РФ

Кризисное состояние российской централизованной энергетики, наступающий дефицит газа и рост цен на энергоносители способствует росту потенциала использования биогазовых технологий в РФ.

До настоящего времени использование возобновляемых источников энергии в России сдерживалось избытком углеводородных топливно-энергетических ресурсов.

Однако в последнее время наметился производственный кризис в российской газодобывающей промышленности. Уже в 2010 г. начнется устойчивое падение добычи газа в стране. И связано оно будет не столько со снижением спроса в условиях экономического спада, сколько с истощением действующих месторождений.

Три стареющих месторождения-гиганта, Уренгойское, Ямбургское и Медвежье, дававших стране свыше 70 % газа, на рубеже веков вступили в позднюю стадию разработки, а производство газа на них начало снижаться.

В целом же, по данным «Газпрома», добыча газа на всех месторождениях, введенных еще в советский период, будет падать со скоростью 20-25 млрд. м³ в год. Таким образом, только за одно десятилетие, Россия лишается почти 1/3 годовой добычи газа.

Месторождения, нуждающиеся в освоении, находятся на «оторванном» от инфраструктуры Ямальском полуострове, шельфе северных морей и Сахалина, в Восточной Сибири. Как с технологической, так и финансовой точки зрения вовлечение этих запасов в разработку практически не имеет мировых аналогов.

Наиболее вероятно, что в большей мере от кризиса пострадают российские потребители, поскольку выполнение европейских экспортных контрактов является важным источником доходов «Газпрома».

Еще в 2007 г. российское правительство подписало программу резкого повышения уровня цен на газ для российских потребителей и доведения их до паритетного уровня с европейскими ценами [36].

В соответствии с планами правительства рост оптовых регулируемых цен составит для промышленности 19 % в 2009 г., 14 % - в 2010 г., и 16 % в 2011 г. Для населения регулируемые тарифы будут расти на 25 % в год.

Тенденция беспрецедентного по мировым меркам роста тарифов наблюдается с 1999 г. За прошедшее десятилетие и в рублевом, и в долларовом эквиваленте электроэнергия подорожала в 4-4,5 раза и на 50 % превысила уровень инфляции. В результате, цены на электроэнергию в России стали выше, чем в большинстве других стран, хорошо обеспеченных энергоносителями [43].

Наконец, еще одной предпосылкой развития малой биогазовой энергетики является кризисное состояние систем централизованного газо- и электроснабжения. Износ основных фондов в транспорте газа в настоящее время составляет 62,5 % [46].

Кроме того, важной предпосылкой развития биогазовой индустрии в России является не только кризисное состояние централизованного энергоснабжения, но и его отсутствие в ряде регионов. Средний уровень газификации составляет менее 70 % в городах и 50 % в сельской местности. При этом в ряде регионов степень газификации менее 10 %. По данным «Межрегионгаза», такая ситуация - во многих субъектах Северо-Западного, Уральского, Сибирского и Дальневосточного федеральных округов [43].

В результате в России складывается по сути уникальная для «энергетической сверхдержавы» ситуация, когда применение биогазовых технологий становится не просто выгодным, но и единственным способом обеспечить энергетические потребности сельского хозяйства [17].

5.3 Преимущества и выгоды использования биогазовых технологий

Биогаз является ценным энергоносителем, а значит, его можно применять с различными целями и с высокой эффективностью, в первую очередь для выработки электроэнергии, приготовления пищи, отопления и обогрева подачи горячей воды [15, с. 136].

Продукция биогазовой станции на 1 м³ биогаза составляет 1,5 - 2,2 кВт*ч электроэнергии, 2,8 - 4,1 кВт*ч тепла и 0,3 - 0,4 м³ углекислого газа, также каждая тонна отходов дает 0,8-0,9 т обеззараженных удобрений [44].

Биоудобрения - удобрения, получаемые в виде переброженной массы, являются экологически чистыми, жидкими удобрениями, лишенными нитритов, семян сорняков, болезнетворной микрофлоры, специфических запахов. Расход таких удобрений составляет 1-5 т вместо 60 т необработанного навоза для обработки 1 га земли. Испытания показывают увеличение урожайности в 2-4 раза [16, с. 130].

В России, по оценкам Минсельхоза, органические удобрения используются только на 6 % земель. Причем эти удобрения практически представляют собой навоз, который вносится в землю без предварительной обработки. По экспертной оценке, проводившейся факультетом почвоведения МГУ, объем рынка органических удобрений в РФ составляет 30 млн. т в год. По общему мнению, Минсельхоза, ученых и хозяйственников, в России существует дефицит качественных экологически чистых органических удобрений в объеме не менее 300 тыс. т в год [41].

Таким образом, получение биогаза из органических отходов имеет следующие выгоды:

- экологические - биогазовая станция решает проблему утилизации органических отходов и очистки сточных вод, а также сокращают выбросы в атмосферу парниковых газов - метана и CO₂.

- экономические - биогазовые технологии способно принести существенные экономические выгоды. Для инвестора - при условии комплексного использования продукции биогазовой станции, срок окупаемости таких проектов составляет порядка 3-5 лет. Для фермеров и сельскохозяйственных организаций - сокращение издержек за счет покупки дешевого биошлама и горюче-смазочных материалов (ГСМ) на основе сжиженного биогаза. Для предприятий АПК - снижение экологических платежей, собственная генерация электроэнергии и тепла [18, с. 394].

- энергетические - суммарный энергетический потенциал отходов АПК РФ достигает 81 млн. т у.т. Если весь биогаз будет перерабатываться на когенерационных установках, это позволит на 23 % обеспечить суммарные потребности экономики в электроэнергии, на 15 % в тепловой энергии и на 14 % в природном газе или же полностью обеспечить сельские районы доступом к природному газу и тепловой мощности [24, с. 31].

- товарные - кроме производства целевого продукта - биогаза и минеральных удобрений, есть возможность производства и реализации других побочных товарных продуктов (серы, моторного топлива, сухого льда и т.д.), а также развития собственного товарного тепличного хозяйства [42].

Кроме этого, внедрение биогазовых технологий способствует развитию энергетической инфраструктуры села, что положительно сказывается на уровне жизни сельского населения [46].

Биогазовые установки в первую очередь следует устанавливать следующим организациям:

- Сельскохозяйственным предприятиям (свинофермам, фермам КРС, птицефабрикам, растениеводческим предприятиям, предприятиям смешанного типа);

- Перерабатывающим предприятиям (спиртовым заводам, пивоваренным заводам, сахарным заводам, мясокомбинатам, ветеринарно-санитарным заводам, крахмалопаточным заводам, молокозаводам, хлебобулочным комбинатам, производителям соков и консервов, рыбным цехам и др.) [49]

5.4 Проблемы развития биоэнергетики и ее критика в РФ

Основная проблема российских производителей альтернативной энергии - отсутствие законодательно-нормативной базы. Налицо и другие проблемы: невыгодность вложений в российскую альтернативную энергетику, неконкурентоспособность альтернативных ВИЭ по сравнению с традиционными ВИЭ и невозобновляемыми источниками, отсутствие инфраструктуры развития альтернативной энергетики.

Сегодня российским предприятиям выгоднее снижать объёмы парниковых газов и получать за это деньги от торговли квотами на рынке. Так, с 1990 до 2010 года Россия, по данным «Гринпис», снизила парниковые выбросы на 36 % [34].

По сравнению с 2000 годом, в 2010 году в производстве электроэнергии доля возобновляемых источников энергии выросла, но не за счёт новых технологий альтернативной энергетики, а за счёт традиционных возобновляемых ресурсов - сжигания древесины и отходов целлюлозно-бумажных (ЦБК) и деревообрабатывающих комбинатов (ДОК) [27, с. 13].

Мощная критика альтернативной энергетики началась ещё в 1970-е годы, когда 8 октября 1975 года академик Пётр Капица, пользуясь физическими расчётами и аргументами, доказал бесперспективность каждого вида ВИЭ как равноценного заменителя традиционных источников, за исключением энергии управляемого термоядерного синтеза [30, с. 9].

Современным аргументом критиков альтернативной энергетики служит очевидная дороговизна электроэнергии, полученной от использования ВИЭ. Так, директор Фонда энергетического развития Сергей Пикин считает, что альтернативная энергетика может быть лишь вспомогательной, а базовой должна оставаться атомная, гидро- и газовая [33].

В конце 2007 года журнал «Профиль» аргументированно предложил считать идею альтернативной энергетики новым «мыльным пузырём», который финансисты сознательно раздувают для получения быстрой прибыли [30].

Наиболее подробное изучение мнений россиян о проблемах энергетики провёл 17 июля 2008 года Фонд «Общественное мнение» (ФОМ). Социологи изучали взгляды россиян о наиболее вероятным энергетическом сценарии через 40-50 лет, и что нужно делать сегодня, чтобы свести к минимуму возможные проблемы будущего. Выяснилось, что в исчерпанность через полвека запасов нефти на земле большинство россиян не верит (верят 38 %, не верят 41 %). В преобладание через полвека энергии из альтернативных источников большинство россиян верит (верят 51 %, не верят 20 %). В необходимость приоритетного развития уже сейчас альтернативных источников энергии большинство россиян верит (57 % за приоритетное развитие альтернативных источников, 19 % за приоритетное развитие традиционных источников) [32].

Рис. 7. Данные опроса Фонда «Общественное мнение» [32].

Существует два противоположных мнения, касающиеся альтернативных источников энергии.

Жорес Алфёров считает, что альтернативная энергетика вполне может соперничать с традиционной уже сейчас [29].

По мнению генерального директора Института проблем естественных монополий Юрия Саакяна альтернативная энергетика несвоевременна, она - дело будущего, а пока нужно вкладывать средства в повышение КПД традиционных источников энергии [28].



6. РЕСУРСЫ БИОМАССЫ ОТХОДОВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА В ЛИПЕЦКОЙ ОБЛАСТИ

6.1 Органическик отходы населенных пунктов

Твердые бытовые отходы. Нормы образование ТБО на одного человека в сутки для городских и сельских жителей:

- для городских жителей: 1,2 кг/чел/сутки;

- для сельских жителей: 0,52 кг/чел/сутки (пищевые отходы используются для корма домашних животных и птицы) [12, с. 77].

Теплотворная способность ТБО в среднем составляет 0,2 т у.т. на одну тонну сухого вещества ТБО, но так как влажность данного субстрата составляет 50 % [11], то 1 кг сухого вещества будет соответствовать 100:(100-50) = 2 кг свежего ТБО. Значит, теплотворная способность составит 0,1 т у.т.

По данным Всероссийской переписи 2010 года население Липецкой области составляет 1 173 513 человек, из них городское население составляет 747 213, а сельское соответственно 426 300 человек [38].

Городские жители за сутки образуют 896,6556 т ТБО, за год это 327279,3 т ТБО. Теплотворная способность такого кол-ва отходов составит 32727,9 т у.т.

Сельские жители за сутки образуют 221,676 т ТБО, за год это 80 911,740 т ТБО. Теплотворная способность такого кол-ва отходов составит 8091,174 т у.т.

В общей сложности от населения в Липецкой области в год образуется 408191 т ТБО, что эквивалентно 40818,9 т у.т. Экономический потенциал - по количеству ТБО для городского населения, так как в ближайшие годы только ТБО городов могут быть переработаны, составляет 32727,9 т у.т.

Валовой потенциал энергии ресурсов ТБО составляет 40818,9 т у.т. (рассчитывался на все население региона). Технический потенциал - на население городов и сельских жителей (без пищевых отходов)

Твердые бытовые отходы в среднем выделяют 100 м³ биогаза на тонну сухого вещества [Табл. П. 1.1.], но так как влажность субстрата составляет 50 %, то выход биогаза составит 50 м³. В ближайшие годы только ТБО городов могут быть переработаны, поэтому 327 279,3 т ТБО дает 16 363 965 м³.

Для отапливания жилого помещения площадью 100 м² необходимо 25 м³ биогаза в сутки. Для подогрева воды для домашних и гигиенических целей и приготовления пищи на семью 5-6 человек 3 раза в сутки необходимо 5-6 м³ биогаза в сутки.

Продолжительность отопительного периода на территории Липецкой области - 7 месяцев - примерно 210 дней (с октября по апрель, включая неполные месяцы октябрь и апрель) [6].

Получаем, что зимой за сутки расходуется в среднем 25 м³ на отопление площади равной 100 м² и 6 м³ на подогрев воды для домашних и гигиенических целей и приготовления пищи на семью 5-6 человек 3 раза в сутки [12, с. 82].

За отопительный сезон (210 суток) сжигается 6510 м³ газа, за теплый период сжигается 930 м³ газа. То есть в год требуется 7440 м³ газа.

16363965 7440 = 2200

Значит энергией и теплом можно обеспечить в течение года население численностью примерно 11000 человек.

При производстве биогаза, одновременно получаются уже готовые к применению удобрения - это сопутствующий продукт любой биоустановки. В обычных отходах (например, навозе) минеральные вещества химически связаны с органикой, и растения не могут их «переварить». В переброженной биомассе минералы отделены от органики, поэтому легко усваиваются. Это очень выгодный бизнес, поскольку себестоимость производства одного литра удобрений составляет максимум 10 центов при наличии линии сушки и комплектации [42].

Так как ТБО на 60 % состоит из легко разлагающихся материалов - органика, бумага, дерево, то именно из этого кол-ва отходов можно получить биоудобрения. Из расчета того, что 1 т отходов дает 0,8 т обеззараженных удобрений, получаем 327279,3 т Ч 0,6= 196367,6 т, такое кол-во отходов дает около 157094 т органических удобрений.

Осадки городских сточных вод (ОСВ). На одного человека в сутки образуется до 0,26 кг осадков сточных вод при влажности 75 %. Теплотворная способность 1 кг сухого осадка составляет 2000 ккал или 6,8 кг у.т. в год на одного человека, но так как влажность данного субстрата составляет 75 % [12, с. 79], то 1 кг сухого вещества будет соответствовать 100:(100-75) = 4 кг свежих сточных вод. Значит, теплотворная способность составит 1,7 т у.т. в год на одного человека.

В Липецкой области в сутки образуется 305,1134 т осадков сточных вод, в год - 111366,4 т. Теплотворная способность такого кол-ва отходов составляет 1995 т у.т. (1,7 1173513=1995 т у.т.).

Валовой потенциал энергии биомассы ОСВ составляет 1995 т у.т. (это энергетический ресурс ОСВ на все население региона). Технический и экономический потенциалы составляет 1270 т у.т. (это энергетический ресурс ОСВ только городского населения, так как в ближайшие годы только осадки городов могут быть использованы для получения энергии).

В зависимости от химического состава осадков при сбраживании выделяется от 5 до 15 м³ биогаза на т сухого вещества, но так как влажность субстрата составляет 75 % [40], то выход биогаза составит 3 м³. Городское население образует 70910,5 т сточных отходов, это эквивалентно 212731,5 м³ биогаза 212731,5 ч 7440 = 28,6

Значит энергией и теплом можно обеспечить в течение года население численностью примерно 150 человек.

Также 1 т отходов дает 0,8-0,9 т обеззараженных удобрений значит, из 70910,5 т отходов от городского населения образуется около 56728 т органических удобрений.

6.2 Отходы животноводства

Выход физиологических отходов на одну голову:

- КРС - 30 кг/сутки при влажности 85 %;

- свиней - 4 кг/сутки, влажность 85 %;

- MPС - 4 кг/сутки, влажность 70 %.

Теплотворная способность 1 кг сухого навоза - 0,286 т у.т., но так как влажность данного субстрата составляет 85 % для КРС, свиней и 70 % для МРС [12, с. 81], то 1 кг сухого вещества будет соответствовать 100:(100-85) = 6,6 кг и 100:(100-70) = 3,33 кг свежего навоза соответственно. Значит, теплотворная способность составит КРС и свиноводства - 0,0425 т у.т., МРС - 0,086 т у.т.

По данным Липецкстата, численность крупного рогатого скота в Липецкой области на 2012 год составила 138800 голов, такое кол-во КРС в сутки образует 4164 т отходов, в год соответственно 1519860 т физиологических отходов. Теплотворная способность такого кол-ва отходов составляет 64700 т у.т.

По данным Липецкстата численность свиней в Липецкой области на 2012 год составила 478300 голов, такое кол-во свиней в сутки образует 1913,2 т отходов, в год соответственно 698318 т физиологических отходов. Теплотворная способность такого кол-ва отходов составляет 29727,4 т у.т.