
Серия статей “Биогаз – енергетическая независимость Украины” СЕО АгроБиогаз к.т.н. Ольга Сидорчук изданию AgroExpert.
Журнал AgroExpert
Сырьевое обеспечение биогазового производства или чего лучше собирать энергетический урожай
Ольга Сидорчук, канд. техн. наук, генеральный директор AgroBiogas
Кандидат технических наук, генеральный директор компании «АгроБиогаз» ОЛЬГА СИДОРЧУК продолжает подробно знакомить с нюансами биогазового производства. Сегодня – о том, что может стать эффективным сырьем для биогазовых станций и какие сочетания являются оптимальными.
Что вообще может стать сырьем для производства биогаза?
От того, органическое сырье растительного и / или животного происхождения загружается в биогазовой станции, существенно зависит не только собственно выход биогаза, но и эффективность, окупаемость производства и ряд других факторов.
Сырьем, подвергается энергетическом преобразованию, практически все отходы органического происхождения, как растительного, так и животного. Ориентировочные показатели выхода биогаза и содержания метана наиболее употребляемых в биогазовых производстве субстратов обобщенно в следующем графике (по данным FNR).
Различное сырье, как правило, отличается как по скорости расщепления, отдаче энергетического потенциала, так и по производительности производства биогаза и биометана.
Внимание пропорциям
Скорость деградации органического сырья в биогазовых станциях, зависит от 3-х ключевых факторов, в частности содержания в сырье:
1 – содержания в ней сухой массы
2 – содержания сухой органической массы
3 – содержания жиров, белков и углеводов.
Планирование биогазовой станции начинается с предварительной оценки потенциала генерации биогаза, за основу расчетов принимаются вышеуказанные показатели состава сырья, как источника получения биогаза.
Рацион бактерий, образующих биогаз
Биогаз является метаболическим продуктом, то есть продуктом жизнедеятельности метаногенных бактерий, присутствующих в биомассе растительного и животного происхождения, в частности в кишечном тракте животных. В зависимости от того, насколько богатым будет состав органического сырья, определенным в качестве «рациона» биогазовой станции, настолько эффективной будет и производительность метаногенов, которые находятся в сброженной массе.
Для ориентира, из 1 кг сухой органической массы в результате преобразования в биогазовой станции получается:
- из углеводов — примерно 0,9 м3 биогаза
- из жиров — до 1,5 м3 биогаза
- из белков – до 0,7 м3 биогаза.
Имея четкое понимание вида и типа органического сырья, используемого в конкретной биогазовой станции, и показателей его физико-химического состава, разрабатывается соответствующее решение, удовлетворяющее требованиям сырья.
Лабораторные исследования состава сырья – залог эффективности биогазовой станции
На предварительном этапе разработки проекта биогазовой станции крайне важно, целесообразно, необходимо и рекомендовано проведение лабораторных исследований физико-химического состава сырья. Ведь от состава органического сырья напрямую зависит эффективность биогазового производства в долгосрочной перспективе.
Большинством реализованных на сегодня биогазовых станций в Украине данный этап проигнорирован, а за основу расчетов, вместо результатов лабораторных исследования состава конкретного сырьевого обеспечения проектированного объекта принято средние показатели состава сырья, чаще всего зарубежные, которые не соотносятся с качеством местного сырья. Данный аспект весомо повлиял на фактическую ситуацию с развитием рынка биогазовых технологий в Украине.
Не устаю подчеркивать, что эффективность биогазового производства закладывается на первых этапах разработки и дизайна проекта, основой является сырьевое обеспечение, а потому пренебрежение подтверждением его качества путем лабораторного исследования, как правило, дорого стоит.
Сбраживание смесей растительного и животного происхождения
Биогазовая станция может эксплуатироваться на сырье исключительно животного происхождения, ровно, как и только на растительном сырье. Однако многолетним практическим опытом реализации биогазовых технологий доказана эффективность ферментации многокомпонентных субстратов, в частности смеси растительного и животного сырья. Такое комбинирование позволяет обеспечить максимально сбалансированную технологическую схему биогазового производства.
Энергетический потенциал побочных продуктов АПК
Перспективными для биогазового производства являются побочные продукты агропромышленного комплекса, в частности после производства крахмала, сахара, алкоголя, пива. Ранее такое сырье использовалась в качестве кормов, сейчас же доказано, что гораздо эффективнее перерабатывать побочные продукты АПК путем биогазового производства и получать энергетический урожай, используя потенциал биомассы.
Энергетические культуры. Не только кукуруза
Крайне эффективными для производства биогаза являются энергетические культуры, которые выращиваются специально для их дальнейшего энергетического преобразования. В первую очередь, мы, конечно, говорим о кукурузе.
Так же в энергетических целях уместно использование некондиционных отходов элеваторов, зеленых остатков ухода за ландшафтами и обочинами и т.п. Этот потенциальный энергетический урожай, недооценен, хотя фактически лежит у нас под ногами, постоянно генерируется и не требует специальной культивации.
В большинстве развитых стран компостированные травы, побочные продукты АПК, остатки от ухода за ландшафтами городов и обочинами дорог используют с целью получения энергетических ресурсов. Зеленые отходы не выбрасываются, не накапливаются стихийно, а подвергаются энергетическом превращению в биогазовых станциях.
Таким образом, сырьевая база для биогазовых станций практически неограниченная за счет широкого спектра органических отходов, остатков и побочной продукции растительного и животного происхождения. В общем органические отходы давно перестали быть чем-то ненужным и уверенно перешли в статус энергетического сырья.
И солому не игнорируйте
Сырье растительного происхождения широко используется в биогазовом производстве. В ряде стран, в частности в Германии, немало биогазовых станций, эксплуатируемых исключительно на растительной биомассе. Чаще всего применяется кукуруза, ведь данная культура имеет высокий энергетический потенциал, является наиболее выгодным с экономической точки зрения, а также положительно влияет на окупаемость энергетического объекта.
Ситуация, не свойственная для Украины, но реальная для большинства европейских стран — продовольственная дилемма и беспокойство населения масштабам выращивания и заготовки силоса кукурузы на энергетические нужды. И, несмотря на реальное отсутствие поводов к подобному беспокойству и наличии избыточных до сих пор неиспользованных земель для выращивания энергетических культур, пренебрегать данным фактором не всегда уместно.
На самом деле, имеется ряд альтернативных типов сырья растительного происхождения, в частности вышеупомянутых, а также солома. Еще 10 лет назад уровень развития биогазовых технологий позволял присутствие до 5% соломы от общего объема сырьевого обеспечения. Сегодня же, имеющиеся эффективные решения предварительной подготовки соломы делают введение ее на уровне 35-40% реальным. Это существенное достижение, ведь 1 т соломы позволяет заместить до 2,5 т силоса кукурузы.
Технологические решения совершенствуются, способствуя улучшению процессов производства биогаза, оптимизации сырьевой базы, целесообразному использованию имеющихся возобновляемых источников.
Опасность стихийной утилизации отходов животноводства
Навозная жижа КРС, свиней, твердый навоз, птичий помет, отходы инкубаторов, падеж и т.д. — сырье для биогазового производства. А вот их хранение, складирование и накопление на неподготовленных площадках уже можно расценивать как рудимент отсталого, просто-таки пещерного хозяйствования. Это категорически нецивилизованный подход к обращению с отходами.
Отсутствие блока утилизации и/или переработки отходов животноводства — экологическая опасность, эмиссии парниковых газов в атмосферу, загрязнение грунтовых вод, негативное влияние на состояние здоровья местных жителей.
Понятно, почему цивилизованный мир принципиально по-новому относится к обращению с отходами и особое внимание уделяется именно отходам животноводства и птицеводства.
Потенциал сырья животного происхождения разный
Когда мы говорим о переработке отходов животноводства на биогазовых станциях, то имеем ввиду твердый и жидкий навоз КРС, твердый и жидкий навоз свиней, птичий помет и др.
Отходы различных видов и собственно тип отходов (жидких/твердых) имеют разный потенциал производства биогаза.
Среди всех видов сырья животного происхождения наиболее контролируемым и требующим наименьшего предварительного вмешательства, является навоз КРС. За ним следуют несколько более агрессивные по составу отходы свиноводства. Наибольшего внимания требует сбраживание птичьего помета.
Все эти нюансы нивелируются подбором соответствующего технологического решения и любое сырье вписывается в контролируемый регулируемый процесс биогазового производства.
Бытовые отходы, как сырье для биогазового производства
Бытовые отходы в аспекте биогаза — новая тема для Украины. Пока нет ни одной станции, которая функционировала бы на таком сырье. А вот в Европе и вообще в мире есть много именно таких производств.
В странах, где системно сортируются отходы, до 30-40% составляют пищевые отходы. Они становятся сырьем, которое используется для производства энергетических источников путем переработки в биогазовых станциях. Это очень логичное и цивилизованное решение.
Пищевые отходы классифицируют, как сырье растительного происхождения. Соответственно, они имеют высокую энергетическую емкость. Жаль, что мы до сих пор пренебрегаем таким богатством, нелепо вывозим ценное сырье на свалки.
Биогазовые станции на пищевых отходах могли бы ставить, например, предприятия, которые собирают и сортируют мусор. Или же это может стать общим делом местной общины. Даже небольшая община может организоваться и создать систему раздельного сбора отходов и переработке пищевых отходов на собственной коммунальной биогазовой станции. Такое решение нашло применение в ряде общин стран Европейского Союза, в частности в Чешской Республике, Словакии, Австрийской Республике, Германии. Европейский опыт показывает, что к такому решению приходят небольшие общины с целью перехода на производство и использование чистых источников энергии.
Отходы древесины лучше подходят в качестве твердого топлива
На вопрос о том, есть ли вообще органическое сырье, которое не следует рассматривать в качестве энергетического источника для производства биогаза, на ум приходят только отходы древесины. Нет, это не означает, что данный тип биомассы не поддается сбраживанию. Сегодня технологии предварительной подготовки сырья к ферментации позволяют сбраживать и их. Но вопрос здесь не в возможности сбраживания такого типа отходов, а скорее в целесообразности реализации такого решения. Так вот, данный подход не является целесообразным, поскольку:
- Энергозатраты на предварительную подготовку сырья к сбраживанию перекрывают объемы производства энергетических источников из него;
- Существуют оптимальные и эффективные решения для последующего использования отходов древесины, а именно – производство твердого биотоплива (пеллеты, брикеты).
Альтернативных видов сырья, пригодных для сбраживания хватает сполна, их потенциал не использован даже на половину. Именно поэтому в секторе биогазового производства отходы древесины практически отсутствуют, как сырье.
Плюс качественные биоудобрения
Результатом работы биогазовой станции является производство биогаза и органических биоудобрений, которые еще называют дигестатом. То есть, биогазовая станция — безотходное производство.
Биоудобрения после биогазовой станции давно зарекомендовали себя, что вполне понятно, ведь они легко усваиваются растениями, имеют полезную микрофлору и т.д. (таблица 1).
Сырье, попадает в ферментер, гомогенизируется, подвергается длительному воздействию соответствующего температурного режима и перемешиванию, проходит этап энергетического преобразования. Когда энергетический потенциал сырьем отдан на выходе получаем тот же поток сырья, но уже однородный по составу, без патогенной микрофлоры, что объясняется особенностями производственного процесса. В результате получаем ценные биоудобрения, без зараженных первичных продуктов жизнедеятельности животных, семян сорняков. Такое удобрение рекомендовано для ведения органического производства.