Серия статей “Биогаз – енергетическая независимость Украины” СЕО АгроБиогаз к.т.н. Ольга Сидорчук изданию AgroExpert.
Опыт Европы и мира применения биогазовых технологий
Ольга Сидорчук, канд. техн. наук, генеральный директор AgroBiogas
В условиях развития современного индустриального общества происходит наращивание темпов производства продуктов питания и энергии, но процесс производства товаров сопровождается образованием побочных продуктов. Мировая энергетика переживает непростой период, когда потребление энергетических ресурсов постоянно растет, а запасы природных ископаемых ресурсов постоянно уменьшаются.
Этот вопрос эффективно решается широким применением принципов циркуляции материалов, заимствованных у окружающей среды. Природные процессы расщепления органических материалов в анаэробных условиях, то есть без доступа кислорода, сопровождаются образованием биогаза — возобновляемого энергетического ресурса, пригодного для последующего производства электрической и тепловой энергии или в качестве топлива для транспортных средств.
Биогазовые технологии для утилизации и энергетического преобразования отходов и побочных продуктов сельского хозяйства и промышленности, муниципальных органических отходов, осадка сточных вод и т.д. имеют широкий спектр преимуществ, что делает их одними из самых привлекательных путей устойчивого использования возобновляемых источников энергии.
История развития биогазовых технологий
Начало развития биогазовых технологий было положено еще в XVII в. наблюдением, что расщепление биомассы сопровождается выделением воспламеняющегося газа. Первая задокументированная биогазовая станция была построена в Индии, а идея, которая легла в основу базового подхода к биогазовым станциям, заимствована из технологии, разработанной для очистки коммунальных стоков и реализованной в Гааге. И уже в 40-х годах прошлого века двумя учеными в Алжире была запатентована и построена установка для производства биогаза из навоза. Распространению новой технологии автономного энергообеспечения способствовали энергетические трудности послевоенного периода. Тогда за короткий промежуток времени в Италии, Франции и Северной Африке было построено более 1000 биогазовых установок типа Дуцеллер-Исманн (рис. 1).
В последней четверти ХХ в. многие страны Европы активно занимались поисками эффективных технологий ферментации с целью производства биогаза из широкого спектра видов сырья сельскохозяйственного происхождения. И сегодня, в условиях устойчивого развития биогазовых технологий, именно биогазовые станции сельскохозяйственного типа занимают ключевое место.
Предпосылки развития отрасли биогазового производства в Европе и мире
Главной предпосылкой развития отрасли возобновляемых источников энергии в Европейском Союзе стала соответствующая политика, основа которой была заложена в 1997 году, утвержденная Советом Европы и Европейским парламентом Стратегии, а также плана действий Содружества (COM (97)). Это было очень своевременно, ведь на тот момент доля возобновляемых источников энергии составляла 6% от общего внутреннего потребления энергии. В 2007 г. в Энергетическую политику Европы был интегрирован пакет «Энергетика и изменения климата» и соответствующее обязательство Европейского Содружества по сокращению выбросов парниковых газов по меньшей мере на 20% до 2020 по сравнению с 1990 г. и наращивание доли возобновляемых источников энергии в структуре потребления до 20%.
Политика ЕС построена на содействии достижению амбициозной цели — построению конкурентоспособной низкоуглеродной экономики к 2050 г. И достижение до 95% сокращения выбросов парниковых газов (СОМ (2011)). Для этого был разработан и внедрен ряд промежуточных Директив о возобновляемых источниках энергии, Стратегия биоэкономики (СОМ (2012)), Энергетическая дорожная карта до 2050 г., Парижское соглашение, Рамочная программа по климату и энергетике до 2030 (СОМ (2014)) и т.д.
Таким образом, благоприятные рамочные условия ЕС и значительные преимущества биогазового производства создают отличные перспективы для дальнейшего развития отрасли и широкого применения биогаза в различных секторах.
В странах Азии, Латинской Америки и Африки также имеются различные программы поддержки биогазового производства, в первую очередь, с целью обеспечения населения собственными энергоисточниками для собственного потребления, сокращения вырубок лесов, снижения уровня загрязненности воздуха и улучшения состояния почв.
Масштабные программы поддержки развития возобновляемой энергетики имеют Индия, Китай, Вьетнам и Непал. Так, в Индии действует Национальная программа управления навозом и биогаза, призвана способствовать строительству биогазовых станций домохозяйствами. Китай имеет средне- и долгосрочный план развития возобновляемой энергетики с целью достижения годового уровня производства биогаза на уровне 50 млрд м3, которые должны быть обеспечены как биогазовыми установками промышленного типа, так и маломощными домашними станциями.
Национальные Программы поддержки производства биогаза действуют во Вьетнаме, а наиболее успешная программа в мире принадлежит Непалу, благодаря ей удалось построить более 330 000 домашних биогазовых станций (REN21, 2015).
Что касается стран Африки, то, несмотря на имеющийся технический потенциал биогаза, достаточный для строительства более чем 18 млн домашних биогазовых станций, отрасль является наименее развитой.
Какие мощности биогазовых станций преобладают в мире?
Развитые страны концентрируются на разработках и внедрении крупных промышленных, сельскохозяйственных и коммерческих биогазовых станций, эксплуатирующихся с целью дальнейшего преобразования биогаза в электрическую и тепловую энергию или в биометан. При этом большинство производственных мощностей расположены в диапазоне 100-500 кВтэл (Eurostat, 2017).
Развивающиеся страны, скорее выбирают биогазовые технологии малой мощности, чтобы использовать биогаз для приготовления пищи, освещения и отопления бытовых и хозяйственных помещений.
Дополнительное влияние на выбор производственных мощностей, безусловно, оказывает наличие или отсутствие условий стимулирования со стороны государства.
Динамика развития отрасли в Европе и мире
Мировым лидером по производству электрической энергии из биогаза является Европейский Союз с установленными более 65% от общей мировой мощности биогазовыми станциями. Согласно отчету Европейской биогазовой Ассоциации, по состоянию на 2017 г. в странах ЕС в целом установлено 17 783 объектов биогазового производства (рис. 2).
Такой убедительной динамике способствует энергетическая и климатическая политика Европейского Союза в области возобновляемых источников энергии, внедрение различных схем содействие их широкому применению, а также стимулирующие схемы поддержки, действующие в нескольких странах-членах ЕС. Наибольшую часть биогаза, которую производят страны Содружества, используют или исключительно для производства электроэнергии, или для комбинированного производства электрической и тепловой энергии.
Динамика развития отрасли биогазового производства в странах отличается, как с точки зрения собственно производственных процессов, так и с точки зрения сырьевого обеспечения. В среднем вклад биогазового производства в национальное потребление природного газа составляет до 4%. Но в то же время Германия, как крупнейший потребитель природного газа в Европе, осуществляет его замещения биогазом на уровне 12,1%, а в Швеции, как у одного из самых крупных потребителей природного газа, доля биогаза в потреблении природного газа составляет 23,2% (см. табл.).
Биогазовое производство в Европе в 2015 г. (Источник: Eurostat, 2017)
Крупнейшими производителями биогаза в Европейском Союзе являются Германия, Чехия, Великобритания, Италия и Франция, причем благодаря производству половины общего объема производства биогаза в ЕС лидирует Германия.
Динамика развития отрасли биогазового производства в мире имеет идентичную тенденцию к стабильному наращиванию производственных мощностей, а отличие в основном заключается в классах внедряемой мощности.
В Азии лидирующую позицию по количеству бытовых биогазовых станций занимает Китай, где на 2016 год построено и эксплуатируется биогазовых общей мощностью 350 МВт. Для сравнения: установленная электрическая мощность биогазовых станций в Индии на этот же период — 187 МВт.
Лидером установленных мощностей биогазового производства в Латинской Америке является Бразилия, а именно 450 МВт (IRENA, 2017).
В отношении Соединенных Штатов Америки, то согласно данным Американской биогазовой ассоциации, в 2017 году в стране установлено более 2100 биогазовых установок, эксплуатируемых на животноводческих предприятиях, полигонах твердых бытовых отходов и станциях очистки сточных вод.
Ключевым определяющим фактором влияния на темпы развития биогазового производства, независимо от страны, является экономика. На рис. 3. представлена динамика наращивания мощностей производства биогаза в мире в период с 2000 по 2016 г.
Сырьевая база
В Европе 75% производства биогаза происходит благодаря утилизации и энергетическом превращению сельскохозяйственных отходов и остатков, навоза и энергетических культур, 17% биогаза производится на свалках и до 8% на очистных сооружениях сточных вод. Наибольшее количество биогаза производят установки сельскохозяйственного типа в Германии, Чехии, Италии и Франции; на свалках — в Великобритании, Испании, Италии и Франции; из стоков сточных вод — в Швеции, Литве и Польше (Eurostat, 2017).
Для биогазового производства используют различные виды органического сырья, в частности твердый навоз, жидкую грязь, пищевые отходы, энергетические культуры и т.д. Чаще всего применяется многокомпонентное сбраживание, что позволяет увеличить выход биогаза и, соответственно, производство энергии, способствует улучшению экономики объекта, повышает ценность дегистата (сброженного органического сырья) как безопасного и высокоэффективного органического удобрения и способствует снижению выбросов парниковых газов в атмосферу.
Тенденции развития биогазовых технологий: актуальные поколения биогазовых установок
Биогазовые технологии, как и любые другие, находятся в процессе постоянного совершенствования и развития. Сегодня говорим уже о трех поколениях биогазовых технологий, а точнее подходах к дальнейшему использованию произведенного биогаза.
Первый, классический и наиболее используемый в Европе и в мире — это эксплуатация биогазовой установки для обеспечения мощностей комбинированных теплоэлектростанций: производимая электрическая энергия подается в сеть, а тепловая — используется для обеспечения собственных нужд предприятия и подается внешним потребителям. Применение тепловой энергии из биогаза позволяет значительно повысить доходность биогазовых установок.
Доочистка биогаза и производство биометана (аналог природного газа) открывает еще одну возможность для использования биогаза и замещения ископаемого топлива в транспортном секторе, улучшая экономику биогазовых станций. Технологические усовершенствования доочистки биогаза в биометан способствуют снижению энергетической емкости и повышению эффективности расходов, что может сделать расходы на биометан конкурентоспособными использованию ископаемого топлива в транспортном секторе. В будущем биометан может стать важным энергоносителем благодаря гибкости в применении и способности к хранению, что делает его ценным для балансировки энергетических сетей.
И, собственно, третий, и крайне важный подход, заключается в использовании потенциала биогаза с целью балансировки энергетической системы, то есть в создании системы гибридного гибкого производства электрической энергии и биометана из биогаза. Этот подход позволяет интегрировать более высокие доли переменных возобновляемых источников энергии, как солнечная и энергия ветра, в электрическую систему. Гибкие системы биогазового производства разрабатывают во всем мире путем объединения биогазовых станций с солнечной и ветровой энергетикой для балансировки энергосистем.