Серія статей “Біогаз – енергетична незалежність України” СЕО АгроБіогаз к.т.н. Ольга Сидорчук виданню AgroExpert.
Журнал AgroExpert
Сировинне забезпечення біогазового виробництва або з чого найкраще збирати енергетичний врожай
Ольга Сидорчук, канд. техн. наук, генеральний директор AgroBiogas
Кандидат технічних наук, генеральний директор компанії «АгроБіогаз» ОЛЬГА СИДОРЧУК продовжує докладно знайомити з нюансами біогазового виробництва. Сьогодні – про все, що може стати ефективною сировиною для біогазових станцій та які поєднання найоптимальніші.
Що взагалі може стати сировиною для виробництва біогазу?
Від того, яка органічна сировина рослинного та/або тваринного походження завантажується до біогазової станції, суттєво залежить не тільки власне вихід біогазу, але й ефективність, окупність виробництва та ряд інших чинників.
Сировиною, яка піддається енергетичному перетворенню, є практично всі відходи органічного походження, як рослинного, так і тваринного. Орієнтовні показники виходу біогазу та вмісту метану найбільш вживаних у біогазовому виробництві субстратів узагальнено у наступному графіку (за даними FNR).
Різна сировина, зазвичай, відрізняється як за швидкістю розщеплення, віддачі енергетичного потенціалу, так і за продуктивністю виробництва біогазу та біометану.
Увага пропорціям
Швидкість деградації органічної сировини у біогазових станціях, залежить від 3-х ключових чинників, зокрема вмісту у сировині:
1 – вмісту в ній сухої маси
2 – вмісту сухої органічної маси
3 – вмісту жирів, білків та вуглеводів.
Планування біогазової станції починається з попередньої оцінки потенціалу генерації біогазу, за основу розрахунків приймаються вищезазначені показники складу сировини, як джерела утворення біогазу.
Раціон бактерій, які утворюють біогаз
Біогаз є метаболічним продуктом, тобто продуктом життєдіяльності метаногенних бактерій, природньо присутніх у біомасі рослинного та тваринного походження, зокрема у кишковому тракті тварин. В залежності від того, наскільки багатим буде склад органічної сировини, визначеної в якості «раціону» біогазової станції, настільки ефективною буде і продуктивність метаногенів, які знаходяться в зброджуваній масі.
Для орієнтиру, з 1 кг сухої органічної маси в результаті перетворення в біогазовій станції отримується:
- з вуглеводів – приблизно 0,9 м3 біогазу
- з жирів – до 1,5 м3 біогазу
- з білків – до 0,7 м3 біогазу.
За чіткого розуміння виду й типу органічної сировини, яка використовуватиметься у конкретній біогазовій станції, та показників її фізико-хімічного складу, розробляється відповідне рішення, що задовольняє вимогам сировини.
Лабораторні дослідження складу сировини – запорука ефективності біогазової станції
На попередньому етапі розробки проєкту біогазової станції вкрай важливо, доцільно, необхідно і рекомендовано проведення лабораторних досліджень фізико-хімічного складу сировини. Адже від складу органічної сировини напряму залежатиме ефективність біогазового виробництва у довготривалій перспективі.
Більшістю реалізованих на сьогодні біогазових станцій в Україні даний етап проігноровано, а за основу розрахунків, замість результатів лабораторних дослідження складу конкретного сировинного забезпечення проєктованого об’єкту прийнято середні показники складу сировини, найчастіше закордонні, що не співвідносяться з якістю вітчизняної сировини. Даний аспект вагомо вплинув на фактичну ситуацію із розвитком ринку біогазових технологій в Україні.
Не втомлююсь наголошувати, що ефективність біогазового виробництва закладається на найперших етапах розробки та дизайну проєкту, основою є сировинне забезпечення, а тому нехтування підтвердженням його якості шляхом лабораторного дослідження, зазвичай, дорого коштує.
Зброджування сумішей рослинної та тваринної сировини
Біогазова станція може експлуатуватись на сировині суто тваринного походження і так само – тільки на сировині рослинного походження. Проте багаторічним практичним досвідом реалізації біогазових технологій доведено ефективність ферментації багатокомпонентних субстратів, зокрема суміші рослинної та тваринної сировини. Таке комбінування дозволяє забезпечити максимально збалансовану технологічну схему біогазового виробництва.
Енергетичний потенціал побічних продуктів АПК
Перспективними для біогазового виробництва є побічні продукти агропромислового комплексу, зокрема після виробництва крохмалю, цукру, алкоголю, пива. Раніше така сировина використовувалась в якості кормів, нині ж, значно ефективніше переробляти побічні продукти АПК через біогазове виробництво та отримувати енергетичний врожай, використовуючи потенціал біомаси.
Енергетичні культури. Не лише кукурудза
Надзичайно ефективними для виробництва біогазу є енергетичні культури, які вирощуються спеціально для їх подальшого енергетичного перетворення. У першу чергу, ми, звісно, говоримо про кукурудзу.
Так само в енергетичних цілях доречне використання некондиційних відходів елеваторів, зелених решток догляду за ландшафтами та узбіччям тощо. Це потенційний енергетичний врожай, недооцінений, хоча фактично лежить у нас під ногами, постійно генерується і не потребує спеціальної культивації.
У більшості розвинених країн компостовані трави, побічні продукти АПК, залишки від догляду за ландшафтами міст та узбіччями доріг використовують з метою отримання енергетичних ресурсів. Зелені відходи не викидаються, не накопичуються деінде стихійно, а піддаються енергетичному перетворенню у біогазових станціях.
Таким чином, сировиною для біогазових станцій є практично необмежений та дуже широкий спектр органічних відходів, решток та побічної продукції рослинного та тваринного походження. Загалом органічні відходи давно перестали бути чимось непотрібним, натомість впевнено перейшли у статус енергетичної сировини.
І солому не ігноруйте
Сировина рослинного походження широко використовується у біогазовому виробництві. У ряді країн, зокрема у Німеччині, чимало біогазових станцій, що експлуатуються виключно на рослинній біомасі. Найчастіше застосовується кукурудза, адже дана культура має найвищий енергетичний потенціал, є найвигіднішою з економічної точки зору, а також найкраще впливає на окупність енергетичного об’єкту.
Ситуація, не властива для України, але реальна для більшості європейських країн – продовольча дилема та занепокоєння населення масштабами вирощування та заготівлі силосу кукурудзи на енергетичні потреби. І, незважаючи на реальну відсутність приводів до подібного занепокоєння та наявності надлишкових і досі невикористаних земель для вирощування енергетичних культур, нехтувати даним чинником не завжди доречно.
Насправді ж, наявний ряд альтернативних типів сировини рослинного походження, зокрема вищезгадані, а також солома. Ще 10 років тому рівень розвитку біогазових технологій дозволяв додавати до 5% соломи від загального обсягу сировинного забезпечення. Сьогодні ж, наявні ефективні рішення попередньої підготовки соломи уможливлює введення її на рівні 35-40%. Це суттєве досягнення, адже 1 т соломи дозволяє замістити до 2,5 т силосу кукурудзи.
Технологічні рішення вдосконалюються, сприяючи покращенню процесів виробництва біогазу, оптимізації сировинної бази, доцільному використанню наявних відновлюваних джерел.
Небезпека стихійної утилізації відходів тваринництва
Гноївка ВРХ, свиней, твердий гній, пташиний послід, відходи інкубаторів, падіж тощо – сировина для біогазового виробництва. А от їх зберігання, складування й накопичення на непідготовлених майданчиках вже можна розцінювати як рудимент відсталого, просто таки печерного господарювання. Це категорично нецивілізований підхід до поводження з відходами.
Відсутність блоку утилізації та/або переробки відходів тваринництва – екологічна небезпека, емісії парникових газів в атмосферу, забруднення ґрунтових вод, негативний вплив на стан здоров’я місцевих мешканців.
Зрозуміло, чому цивілізований світ принципово по-новому ставиться до поводження з відходами і особлива увага приділяється саме відходи тваринництва й птахівництва.
Потенціал тваринної сировини різний
Коли говоримо про переробку відходів тваринництва на біогазових станціях, то маємо на увазі твердий і рідкий гній ВРХ, твердий чи рідкий гній свиней, пташиний послід тощо.
Відходи різних видів тварин та власне тип відходів (рідкі/тверді) мають різний потенціал виробництва біогазу.
Серед усіх видів сировини тваринного походження найбільш контрольованим та таким, що потребує найменшого попереднього втручання, є гній ВРХ. За ним ідуть трохи більш агресивні за складом відходи свинарства. Найбільшої уваги потребує зброджування пташиного посліду.
Всі ці нюанси нівелюються підбором відповідного технологічного рішення і будь-яка сировина вписується у контрольований регульований процес біогазового виробництва.
Побутові відходи як сировина для біогазового виробництва
Побутові відходи в аспекті біогазу – нова тема для України. Поки що немає жодної станції, яка б функціонувала на такій сировині. А от у Європі і загалом у світі є багато саме таких виробництв.
У країнах, де системно сортуються відходи, до 30-40% складають харчові відходи. Вони стають сировиною, яка використовується для виробництва енергетичних джерел шляхом переробки у біогазових станціях. Це дуже логічне та цивілізоване рішення.
За класифікацію харчові відходи належать до сировини рослинного походження. Відповідно, вони мають високу енергетичну місткість. Шкода, що ми досі нехтуємо таким багатством, недолуго вивозимо цінну сировину на сміттєзвалища.
Біогазові станції на харчових відходах могли б ставити, наприклад, підприємства, які збирають і сортують сміття. Або ж це може стати спільною справою місцевої громади. Навіть невеличка громада може зорганізуватися і створити систему роздільного збирання відходів та переробку харчових відходів на власній комунальній біогазовій станції. Таке рішення знайшло застосування у ряді громад країн Європейського Союзу, зокрема у Чеській Республіці, Словаччині, Австрійській Республіці, Німеччині. Європейський досвід показує, що до такого рішення приходять невеликі громади з метою переходу на виробництво й використання чистих джерел енергії.
Відходи деревини краще підходять в якості твердого палива
На питання стосовно того, чи є взагалі органічна сировина, яку не слід розглядати для енергетичного перетворення у біогазових станціях, на думку приходять тільки відходи деревини. Ні, це не означає, що даний тип біомаси не піддається зброджуванню. На сьогодні технології попередньої підготовки сировини до ферментації дозволяють зброджувати і їх. Але питання тут не в можливості зброджування такого типу відходів, а радше у доцільності реалізації такого рішення. Так от, даний підхід не є доцільним, оскільки:
- Енерговитрати на попередню підготовку сировини до зброджування перекривають обсяги виробництва енергоджерел з неї;
- Наявні оптимальні та ефективні рішення для подальшого використання відходів деревини, а саме – виробництво твердого біопалива (пелети, брикети).
Альтернативних видів сировини, придатних до зброджування вистачає сповна, їх потенціал не використаний навіть на половину. Саме тому у секторі біогазового виробництва відходи деревини практично відсутні, як сировина.
Плюс якісні біодобрива
Результатом роботи біогазової станції є виробництво біогазу та органічних біодобрив, які ще називають дегістатом. Тобто, біогазова станція – безвідходне виробництво.
Біодобрива після біогазової станції давно зарекомендували себе, що цілком зрозуміло, адже вони легко засвоюються рослинами, мають корисну мікрофлору тощо (таблиця 1).
Сировина, яка потрапляє до ферментеру, гомогенізується, піддається довготривалому впливу відповідного температурного режиму та перемішування, проходить етап енергетичного перетворення. Коли енергетичний потенціал сировиною віддано, на виході отримуємо той самий потік сировини, але вже однорідний за складом, без патогенної мікрофлори, що пояснюється особливостями виробничого процесу. У результаті отримуємо цінні біодобрива, без заражених первинних продуктів життєдіяльності тварин, насіння бур’янів. Таке добриво рекомендовано для ведення органічного виробництва.