Серія статей “Біогаз – енергетична незалежність України” СЕО АгроБіогаз к.т.н. Ольга Сидорчук виданню AgroExpert.
Досвід Європи та світу застосування біогазових технологій
Ольга Сидорчук, канд. техн. наук, генеральний директор AgroBiogas
В умовах розвитку сучасного індустріального суспільства відбувається нарощування темпів виробництва продуктів споживання та енергії, але процес виробництва товарів супроводжується утворенням побічних продуктів. Світова енергетика переживає непростий період, коли споживання енергетичних ресурсів невпинно зростає, а запаси природних викопних ресурсів постійно зменшуються.
Це питання ефективно вирішується широким застосуванням принципів циркуляції матеріалів, запозичених у навколишнього середовища. Природні процеси розщеплення органічних матеріалів в анаеробних умовах, тобто без доступу кисню, супроводжуються утворенням біогазу – відновлюваного енергетичного ресурсу, придатного для наступного виробництва електричної та теплової енергії або в якості палива для транспортних засобів.
Біогазові технології для утилізації й енергетичного перетворення відходів і побічних продуктів сільського господарства та промисловості, муніципальних органічних відходів, осаду стічних вод тощо мають широкий спектр переваг, що робить їх одними з найпривабливіших шляхів стійкого використання відновлюваних джерел енергії.
Історія розвитку біогазових технологій
Початок розвитку біогазових технологій було покладено ще у XVII ст. спостереженням, що розклад біомаси супроводжується виділенням займистого газу. Перша задокументована біогазова станція була споруджена в Індії, а ідея, що лягла в основу базового підходу до біогазових станцій, запозичена з технології, розробленої для очищення комунальних стоків та реалізованої в Гаазі. І вже у 40-х роках минулого століття двома науковцями в Алжирі було запатентовано й побудовано установку для виробництва біогазу з гною. Поширенню нової технології автономного енергозабезпечення сприяли енергетичні труднощі повоєнного періоду. Тоді за короткий проміжок часу в Італії, Франції та Північній Африці було споруджено понад 1000 біогазових установок типу Дуцеллер-Ісманн (рис. 1).
В останній чверті ХХ ст. багато країн Європи активно займались пошуками ефективних технологій ферментації з метою виробництва біогазу з широкого спектра видів сировини сільськогосподарського походження. І на сьогодні, в умовах сталого розвитку біогазових технологій, саме біогазові станції сільськогосподарського типу займають ключове місце.
Передумови розвитку галузі біогазового виробництва в Європі та світі
Головною передумовою розвитку галузі відновлюваних джерел енергії в Європейському Союзі стала відповідна політика Співтовариства, основу якої було закладено у 1997 р. затвердженням Радою Європи та Європейським парламентом Стратегії й плану дій Співтовариства (COM (97)). Це було дуже своєчасною, адже на той момент доля відновлюваних джерел енергії становила 6% від загального внутрішнього споживання енергії. У 2007 р. до Енергетичної політики Європи було інтегровано пакет «Енергетика та зміни клімату» та відповідне зобов’язання Європейського Співтовариства щодо скорочення викидів парникових газів щонайменше на 20% до 2020 р. порівняно з 1990 і нарощування частки відновлюваних джерел енергії у структурі споживання до 20%.
Політика ЄС побудована на сприянні досягненню амбіційної мети – побудови конкурентоспроможної низьковуглецевої економіки до 2050 р. та досягнення до 95% скорочення викидів парникових газів (СОМ (2011)). Задля цього розробили й впровадили низку проміжних Директив із відновлюваних джерел енергії, Стратегію біоекономіки (СОМ (2012)), Енергетичну дорожню карту до 2050 р., Паризьку угоду, Рамкову програму з клімату та енергетики до 2030 р. (СОМ (2014)) тощо.
Таким чином, сприятливі рамкові умови ЄС та значні переваги біогазового виробництва створюють відмінні перспективи для подальшого розвитку галузі й широкого застосування біогазу в різних секторах.
У країнах Азії, Латинської Америки та Африки також наявні різноманітні програми підтримки біогазового виробництва, в першу чергу, щоб забезпечити населення власним енергоджерелом для власного споживання, скорочення вирубок лісів, зменшення рівня забрудненості повітря й поліпшення стану ґрунтів.
Масштабні програми підтримки розвитку відновлюваної енергетики мають Індія, Китай, В’єтнам та Непал. Так, в Індії діє Національна програма управління гноєм і біогазом, покликана сприяти будівництву біогазових станцій домогосподарствами. Китай має середньо- та довгостроковий план розвитку відновлюваної енергетики з метою досягнення річного рівня виробництва біогазу на рівні 50 млрд м3, що мають бути забезпечені як біогазовими установками промислового типу, так і малими побутовими станціями.
Національні Програми підтримки виробництва біогазу діють у В’єтнамі, а найбільш успішна програма в світі належить Непалу й завдяки їй вдалося побудувати понад 330 000 домогосподарських біогазових станцій (REN21, 2015).
Щодо країн Африки, то тут, попри наявний технічний потенціал біогазу, достатній для будівництва більше ніж 18 млн домогосподарських біогазових станцій, галузь є найменш розвиненою.
Які переважні потужності біогазових станцій у світі?
Розвинені країни концентруються на розробках та впровадженні потужних промислових, сільськогосподарських і комерційних біогазових станцій, які експлуатують задля подальшого перетворення біогазу в електричну й теплову енергію або в біометан. При цьому більшість виробничих потужностей розташовані в діапазоні 100–500 кВтел (Eurostat, 2017).
Країни, що розвиваються, радше обирають біогазові технології малої потужності, щоб використовувати біогаз для приготування їжі, освітлення та опалювання побутових і господарських приміщень.
Додатковий вплив на вибір виробничих потужностей, безперечно, мають наявність або відсутність умов стимулювання з боку держави.
Динаміка розвитку галузі в Європі та світі
Світовим лідером із виробництва електричної енергії з біогазу є Європейський Союз із встановленими понад 65% від загальної світової потужності біогазових станцій. Згідно зі звітом Європейської Біогазової Асоціації, станом на 2017 р. у країнах ЄС загалом встановлено 17 783 об’єктів біогазового виробництва (рис. 2).
Такій переконливій динаміці сприяє енергетична й кліматична політика Європейського Союзу у галузі відновлюваних джерел енергії, впровадження різноманітних схем сприяння їх широкому застосуванню, а також стимулюючі схеми підтримки, діючі у декількох країнах-членах ЄС. Найбільшу частину біогазу, яку виробляють країни Співтовариства, використовують або виключно для виробництва електроенергії, або ж для комбінованого виробництва електричної та теплової енергії.
Динаміка розвитку галузі біогазового виробництва у країнах різниться, як з точки зору власне виробничих процесів, так і з точки зору сировинного забезпечення. В середньому внесок біогазового виробництва у національне споживання природного газу становить до 4%. Але у той саме час Німеччина, як найбільший споживач природного газу в Європі, здійснює його заміщення біогазом на рівні 12,1%, а у Швеції, як в одного з найменших споживачів природного газу, частка біогазу в споживанні природного газу становить 23,2% (див. табл.).
Біогазове виробництво в Європі у 2015 (Джерело: Eurostat, 2017)
Найбільшими виробниками біогазу в Європейському Союзі є Німеччина, Чехія, Великобританія, Італія та Франція, причому завдяки виробництву половини загального обсягу виробництва біогазу в ЄС лідирує Німеччина.
Динаміка розвитку галузі біогазового виробництва у світі має ідентичну тенденцію до стабільного нарощування виробничих потужностей, а відмінність переважно полягає у класах впроваджуваної потужності.
В Азії лідируючу позицію щодо кількості побутових біогазових станцій займає Китай, де станом на 2016 р. побудовано та експлуатується біогазових потужностей на рівні 350 МВт. Для порівняння: встановлена електрична потужність біогазових станцій в Індії на цей саме період – 187 МВт.
Лідером встановлених потужностей біогазового виробництва у Латинській Америці є Бразилія, а саме 450 МВт (IRENA, 2017).
Щодо Сполучених Штатів Америки, то згідно з даними Американської Біогазової Асоціації, у 2017 р. в країні нараховано понад 2100 біогазових установок, що експлуатуються на тваринницьких підприємствах, полігонах твердих побутових відходів і станціях очищення стічних вод.
Ключовим визначальним фактором впливу на темпи розвитку біогазового виробництва, незалежно від країни, є економіка. На рис. 3. представлено динаміку нарощування потужностей виробництва біогазу в світі у період із 2000 по 2016 рр.
Сировинна база
В Європі до 75% виробництва біогазу відбувається завдяки утилізації та енергетичному перетворенню сільськогосподарських відходів і решток, гною й енергетичних культур, 17% біогазу виробляється на звалищах і до 8% із очисних споруд стічних вод. Найбільшу кількість біогазу виробляють установки сільськогосподарського типу в Німеччині, Чехії, Італії та Франції; на сміттєзвалищах – у Великобританії, Іспанії, Італії й Франції; зі стоків стічних вод – у Швеції, Литві та Польщі (Eurostat, 2017).
Для біогазового виробництва використовують різноманітні види органічної сировини, зокрема твердий гній, рідку гноївку, харчові відходи, енергетичні культури тощо. Найчастіше застосовують багатокомпонентне зброджування, що дає змогу збільшити вихід біогазу та, відповідно, виробництво енергії, сприяє покращенню економіки об’єкта, підвищує цінність дегістату (збродженої органічної сировини) як безпечного та високоефективного органічного добрива й сприяє зниженню викидів парникових газів у атмосферу.
Тенденції розвитку біогазових технологій: актуальні покоління біогазових установок
Біогазові технології, як і будь-які інші, перебувають у процесі постійного вдосконалення та розвитку. Сьогодні говоримо вже про три покоління біогазових технологій, а точніше підходи до подальшого використання виробленого біогазу.
Перший, класичний і найбільш вживаний у Європі та в світі – це експлуатація біогазової установки для забезпечення потужностей комбінованих теплоелектростанцій: електричну енергія, що виробляють, подають у мережу, а теплову – використовують для забезпечення власних потреб підприємства та подають зовнішнім споживачам. Застосування теплової енергії з біогазу дає змогу значно підвищити прибутковість біогазових установок.
Доочищення біогазу й виробництво біометану (аналог природного газу) відкриває ще одну можливість для використання біогазу та заміщення викопного палива у транспортному секторі, поліпшуючи економіку біогазових станцій. Технологічні вдосконалення доочищення біогазу до біометану сприяють зниженню енергетичної ємкості й підвищенню ефективності витрат, що може зробити витрати на біометан конкурентоздатними використанню викопного палива у транспортному секторі. У майбутньому біометан може стати важливим енергоносієм завдяки гнучкості у застосуванні та здатності до зберігання, що робить його цінним для балансування енергетичних мереж.
І, власне, третій і вкрай важливий підхід полягає у використанні потенціалу біогазу з метою балансування енергетичної системи, тобто у створенні системи гібридного гнучкого виробництва електричної енергії та біометану з біогазу. Цей підхід дає змогу інтегрувати більш високі частки перемінних відновлюваних джерел енергії, як сонячна та енергія вітру, в електричну систему. Гнучкі системи біогазового виробництва розробляють в усьому світі шляхом об’єднання біогазових станцій із сонячною і вітровою енергетикою для балансування енергосистем.