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

По результатам исследований Института энергетической стратегии РФ общее количество органических отходов агропромышленного комплекса (АПК) России 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 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 (г. Грозный) проводились исследования по разработке технического регламента промышленной технологии и подбору оборудования для производства кормового витамина В-12 и биогаза методом термофильного метанового брожения ацетоно-бутиловый 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 В-12 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.1) 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%.

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 м3 биогаза, 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.2).

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

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.3) 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.

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.

Рис.4. 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.

3. Заключение