Белгород. Биогаз и биогазовые станции. Анализ и реализованные проекты

Общие сведения о биогазе и биогазовых станциях

В Белгородской области сконцентрировано большое количество предприятий животноводства и птицеводства, одновременно регион является одним из флагманов российского сельского хозяйства.

В результате деятельности таких предприятий образуется значительное количество органических отходов, необходимость утилизации которых является одной из приоритетных задач по обеспечению экологической безопасности атмосферы и земельных угодий.

За последнее десятилетие в мире получили развитие технологии, позволяющие утилизировать органические отходы, и при этом децентрализовано получать в большом количестве энергию из биоотходов путем переработки их в биогаз с использованием соответствующих технологических решений – биогазовых установок.

Биогаз – газ, получаемый в ходе брожения биомассы (органических отходов) посредством воздействия различных видов бактерий.

Различные виды микроорганизмов метаболизируют углерод из органических субстратов в безкислородных условиях (анаэробно). Этот процесс, называемый гниением или безкислородным брожением, следует за цепью питания. В процессе брожения из биоотходов вырабатывается биогаз. Этот газ может использоваться как обычный природный газ для технологических целей, обогрева, выработки электроэнергии. Его можно накапливать, перекачивать, использовать для заправки автомобиля или продавать соседям.

Биогаз состоит из метана (55-85%) и углекислого газа (15-45%). Плохо растворим в воде, его теплота сгорания составляет от 21 до 27,2 МДж/м³. При переработке 1 т свежих отходов крупного рогатого скота и свиней (при влажности 85%) можно получить от 45 до 60 м³ биогаза, 1 т куриного помета (при влажности 75%) – до 100 м³ биогаза. По теплоте сгорания 1 м³ биогаза эквивалентен: 0,8 м³ природного газа, 0,7 кг мазута, 0,6 кг бензина, 1,5 кг дров (в абсолютно сухом состоянии), 3 кг навозных брикетов.

Для работы электрогенераторов биогаз используется без какой либо очистки. Для заправки автомобилей устанавливается дополнительная система очистки. После такой системы очистки полученный газ - полный аналог природного газа (90% метана (CH₄) и 10% углекислого газа (CO₂)). Вторым продуктом очистки биогаза является CO₂. Этот газ тоже идет в прибыль. Его можно использовать как сухой лед, для газировки или в технических целях.

Биогазовая станция (Биогазовая установка) – это комплекс оборудования по переработке органических отходов с производством удобрений и биогаза, который используется в энергоустановках для выработки электроэнергии и тепла. Работу станции можно разделить на два технологических процесса:

• Анаэробное метановое брожение отходов для получения биогаза.

• Сжигание биогаза в энергетической установке для получения электрической энергии и тепла.

Анаэробное метановое брожение отходов - это разложение биомассы до простейших составляющих с получением метана, двуокиси углерода и воды под воздействием трёх видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид — бактерии гидролизные, второй — кислотообразующие, третий — метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида.

Этапы процесса брожения биомассы

Сырье для получения биогаза.

Для производства биогаза пригодно большинство отходов пищевой промышленности и сельского хозяйства, а также специально выращенные энергетические растения. Биогазовые установки могут работать как на моно-сырье, так и на смеси.

Органические отходы, пригодные для производства биогаза:

• навоз

• птичий помёт

• зерновая и меласная послеспиртовая барда

• пивная дробина

• свекольный жом

• фекальные осадки

• отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга)

• трава

• бытовые отходы

• отходы молокозаводов — соленая и сладкая молочная сыворотка

• отходы производства биодизеля — технический глицерин от производства биодизеля из рапса

• отходы от производства соков — жом фруктовый, ягодный, овощной

• виноградная выжимка

• водоросли

• отходы производства крахмала и патоки — мезга и сироп

• отходы переработки картофеля

• производства чипсов — очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа

Тип сырья	Выход газа, м3 на тонну сырья
Навоз коровий	38-52
Навоз свиной	52-88
Помет птичий	47-94
Отходы бойни	250-500
Жир	1300
Барда послеспиртовая	50-100
Зерно	400-500
Силос, ботва, трава, водоросли	200-400
Молочная сыворотка	50-80
Свекольный и фруктовый жом	40-70
Глицерин технический	400-600
Дробина пивная	130-150

Таблица. Объемы получаемого биогаза из различных видов исходного сырья

Белгородская область, по состоянию на 2012 год занимает лидирующее место по производству мяса в России:

- Поголовье свиней в сельскохозяйственных организациях оставляет 3305,1 тыс. голов (доля в общероссийском производстве свинины составляет 16,7%);

- Поголовье кур в сельскохозяйственных организациях 46,3 млн. голов (доля в общероссийском производстве мяса птицы составляет 14,9%).

- В сельскохозяйственных организациях и хозяйствах населения Белгородской области более 233 тысяч голов крупного рогатого скота.

Всего в регионе работает более 1000 комплексов по производству мяса птицы и свинины, они производят примерно 15 млн. тонн отходов в год.

Из суммарных отходов птицеводческих и животноводческих предприятий Белгородской области можно в сутки производить свыше 500 тысяч кубометров биогаза.

Масса органических отходов предприятий животноводства

и птицеводства Белгородской области, прогноз до 2015 г., тыс. тонн

(данные – Региональный центр биотехнологий)

Энергетический потенциал	Всего	Отходы свиноводства	Отходы КРС	Отходы птицеводства	Отходы сахарного производства	ТБО и отходы очистных сооружений	Отходы перерабаты-вающих пред-приятий
Мощность, МВт	223,2	76,5	45,8	38,6	26,8	26,5	9,2
Электроэнергия, млн. кВт*ч/год	1766	605	363	306	212	207	73
Тепловая энергия, тыс. Гкал/год	1693	580	348	294	203	198	70
Производство удобрений, тыс. тонн/год	7362	2524	1511	1273	885	864	305
Сокращение парниковых выбросов, млн. тонн/год	1324	454	272	230	160	155	54

Энергетический потенциал

объектов биоэнергетики Белгородской области

(данные – Региональный центр биотехнологий)

Также, в результате деятельности сахарных заводов в Белгородской области ежегодно образуется порядка 1,6 млн. тонн побочного продукта производства – жома, который является хорошим органическим сырьем для выработки биогаза и, учитывая его низкую стоимость, позволяет сэкономить на сырье.

При переработке имеющихся в области отходов животноводства, птицеводства, жома свеклосахарного производства, энергетический потенциал региона составит 500 мегаватт, что полностью сможет обеспечить всю сельскую часть области электроэнергией и теплом.

Принцип работы биогазовой станции

Биомасса (отходы или зеленая масса) периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный резервуар, оборудованный мешалками. В реакторе живут бактерии, питающиеся биомассой. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма, подогрев до 35-38 °С и периодическое перемешивание.

На выходе установки получают два продукта: биогаз и биоудобрения (компостированный и жидкий субстрат).

Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен.

Из газгольдера идет непрерывная подача биогаза в газовый или дизель-газовый теплоэлектрогенератор. Здесь уже производится тепло и электричество. 1м³ газа дает 2кВт*ч электрической и 2кВт*ч тепловой энергии. Крупные биогазовые установки имеют аварийные факельные установки на тот случай, если двигатель/двигатели не работают и биогаз надо сжечь. Газовая система может включать в себя вентилятор, конденсатоотводчик, десульфулизатор и т.п.

Возникающее при производстве электрического тока тепло, подаётся через систему водяного охлаждения или же через систему охлаждения отработанных газов в обогревательную систему. Образующееся избыточное тепло может быть отведено через аварийный охладитель и, при необходимости, использовано в других системах.

Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двухстадийная технология. Например, птичий помет, спиртовая барда не перерабатываются в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза. Такой реактор позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей. Возможна переработка этих же субстратов по одностадийной технологии, но при коферментации (смешивании) с другими видами сырья, например, с навозом или силосом.

Переброженная масса – это биоудобрения, готовые к использованию. Жидкие биоудобрения отделяются от твердых с помощью сепаратора и сохраняются в емкости для хранения биоудобрения.

Переработка отходов на биогазовой установке позволяет одновременно получить:

1. газ

2. электричество

3. тепло

4. топливо для автомобилей

5. биоудобрения

Инвестиционный потенциал использования биогаза в России

Несмотря на отсутствие в РФ «зеленого тарифа» на электроэнергию, произведенную из биомассы, российский рынок биогаза может активно развиваться за счет проектов, направленных на утилизацию разного рода аграрных отходов.

В качестве дополнительного фактора повышенного интереса европейских компаний к российскому рынку биогаза - растущая конкуренция в данном сегменте в странах ЕС.

В Европе биогазовые компании уже начали «толкать» друг друга «локтями», аграрный рынок практически не растет, соответственно спрос на биогазовые проекты снижается. Единственным выходом для европейских компаний является поиск и освоение новых рынков. В данном случае российский рынок может стать для них Клондайком.

Общий потенциал рынка биогаза, а также электро- и теплогенерации на базе биогазовых комплексов, использующих отходы аграрной промышленности, составляет в Российской Федерации более $18,4 млрд. При этом производство биогаза может достичь 14,7 млрд кубометров в год, что является эквивалентом 10 млрд кубометров природного газа.

В России в 2013 году принято постановление правительства «О механизме стимулирования использования возобновляемых источников энергии на оптовом рынке электрической энергии и мощности», направленное на стимулирование использования возобновляемых источников энергии и компенсацию тарифов по такой энергии с целью повышения ее конкурентоспособности. Эта система в будущем может стимулировать развитие сетевой генерации, продажи произведенной из биогаза электроэнергии на оптовом и розничном рынке.

Инвестиционные аспекты использования биогазовых технологий:

Экономические

Существенные экономические выгоды получают все заинтересованные участники сельскохозяйственного и энергетического рынков:

• Инвесторы – срок окупаемости таких проектов составляет порядка 3-5 лет.

• Фермеры, предприятия АПК – снижение экологических платежей, собственная генерация электроэнергии и тепла, высококачественные удобрения.

• Государство – снижение нагрузки на региональный и муниципальный бюджеты, увеличение налоговой базы за счет развития сельскохозяйственных предприятий.

• Российская энергетика – оптимизация энергетического баланса, высвобождение дополнительных объемов природного газа для экспорта на европейские рынки, где цены выше, снижение нагрузки на сети и генерирующие мощности, снижение затрат на развитие и ремонт сетевого хозяйства.

Биогазовые технологии позволяют наиболее рационально и эффективно конвертировать энергию химических связей органических отходов в энергию газообразного топлива (биогаз) собственного производства с получением высокоэффективных органических удобрений. Произведенный биогаз может быть направлен в энергетические установки для выработки электроэнергии и тепла. Поэтому потребность в закупке электроэнергии, тепла, органических удобрений у сторонних производителей отпадает.

Энергетические

Биогаз с высокой эффективностью используется для получения собственной тепловой и электрической энергии. Если весь биогаз будет перерабатываться на когенерационных установках, это полностью обеспечить сельские районы доступом к газу и тепловой мощности. Излишки энергии, а также побочная товарная продукция могут быть реализованы на свободном рынке.

Экологические

Биогазовая станция решает проблему утилизации органических отходов и очистки сточных вод, содержание органических веществ в отходах снижается в 10 раз, также напрямую (за счет переработки) и косвенно (за счет замещения углеводородов в энергобалансе) сокращают выбросы в атмосферу парниковых газов – метана (СН₄) и углекислого газа (СО₂).

Географические

Биогазовые станции могут быть размещены в любом регионе, где есть достаточное количество органического сырья вне зависимости от наличия объектов традиционной энергетики, инженерных и транспортных сетей.

Инфраструктурные

При наличии сырья, строительство биогазовой станции является отличной альтернативой строительства объектов традиционной энергетики (газопроводов, котельных, электросетей, трансформаторов) и других объектов инфраструктуры (хранилищ отходов, подъездных путей и т.д.). В случае автономной работы отсутствуют затраты на подключение к энергосетям.

Социальные

Биогазовая установка предоставляет возможность обеспечения теплом и электроэнергией объектов социальной инфраструктуры, расположенных поблизости (жилых домов, школ, больниц, детсадов, домов отдыха и т.д.). Развитие биогазовой энергетики также решает проблемы занятости в сельских районах и повышает реальные доходы населения. Кроме этого, внедрение биогазовых технологий способствует развитию энергетической инфраструктуры села, что положительно сказывается на уровне жизни сельского населения.

Инвестиционные проекты в сфере биогазовой индустрии в Белгородской области

В Белгородской области создана законодательная база развития малой энергетики. В соответствии в Постановлением Правительства Белгородской области №427-пп от 29.10.2012г. утверждена долгосрочная целевая программа «Развитие возобновляемых источников энергии на 2013-2015 годы и на период до 2020 года». Согласно целевым показателям в области планируется введение 223,3 МВт мощностей альтернативной энергетики, в основном за счёт биогазовых станций.

Предусматривается переработка биологических отходов животноводства и птицеводства для производства биогаза и биотоплива.

Для решения этих задач планируется скоординировать работу всех сельскохозяйственных предприятий в нескольких направлениях. В первую очередь, это строительство сети биогазовых установок для переработки органических отходов с влажностью более 50%.

В числе предлагаемых инвестиционных проектов – строительство биогазовых установок на работающих в области свинокомплексах, очистных сооружениях птицефабрик. Компании, которые производят электроэнергию с использованием биотехнологий, будут включены в реестр энергоснабжающих организаций области.

В перспективе, в области намечается обеспечить рациональный, экономически обоснованный рост использования различных видов возобновляемых источников энергии для производства электрической и тепловой энергии, а также расширить использование альтернативных видов топлива для транспорта и энергетики.

Карта – схема

потенциального размещения площадок для биогазовых комплексов

(данные – Региональный центр биотехнологий)

По состоянию на 2013 год Белгородская область газифицирована на 99,8%. Это самый высокий показатель газификации среди российских регионов.

Карта газоснабжения Белгородской области

(источник - ООО «Газпром межрегионгаз Белгород»)

Производственные модели для инвестиционных проектов малой энергетики в Белгородской области

Специалистами ОАО «Корпорация «Развитие» Белгородской области представлены наиболее выгодные для инвестирования схемы технологических процессов получения альтернативного топлива. В качестве сырья предполагается использование различных органических и бытовых отходов, в том числе побочных продуктов сельскохозяйственных предприятий области.

Использование биогаза в качестве газомоторного топлива

Биогаз представляет собой горючую газовую смесь, состоящую из 50-70% метана (CH4), которая образуется из органических субстанций в результате анаэробного микробиологического процесса.

Одним из самых наиболее перспективных направлений использования биогаза является его применение в качестве газомоторного топлива.

В качестве сырья для производства биогаза можно использовать любые органические отходы, отходы пищевого производства, животноводства, сельскохозяйственной отрасли, деревоперерабатывающей промышленности, осадки хозяйственно-бытовых сточных вод и прочее сырье, подлежащее ферментации и дальнейшей обработке.

Произведенный биогаз необходимо дополнительно обогатить метаном. Затем полученный биометан можно транспортировать на стационарные или мобильные заправочные станции.

Схема процесса получения биогаза,

используемого в качестве моторного топлива

ПАГЗ - Передвижной автогазозаправщик

АГНКС - Автомобильная газонаполнительная компрессорная станция

Производство RDF-топлива

Одним из наиболее эффективных способов переработки твердых бытовых отходов (ТБО) является производство RDF-топлива (Refuse Derived Fuel (анг.) – топливо, производимое из отходов).

RDF представляет собой топливо, производимое путем измельчения, преобразования и обезвоживания ТБО. RDF состоит в основном из горючих компонентов ТБО, таких как пластик и биоразлагаемые отходы.

Для производства RDF твердые бытовые отходы предварительно поступают на мусоросортировочные комплексы. Полученные в ходе сортировки органические отходы сначала компостируются, а затем направляются на рекультивацию полигонов. На захоронение идет не более 30% отходов.

Получение энергии из RDF является одним из самых экономичных источников энергии. RDF широко используется в цементной промышленности и других отраслях в качестве замены ископаемого топлива и снижает зависимость от него.

Схема процесса вывоза и утилизации мусора с получением RDF-топлива

Модель автономной системы энергосбережения за счет источников малой энергетики на примере одного из районов Белгородской области

Специалистами ООО «Дирекция инвестиционного развития» ОАО «Корпорация «Развитие» на примере одного из районов Белгородской области была сформирована модель автономной системы энергосбережения за счет источников малой энергетики.

В ходе анализа энергобаланса Шебекинского района были рассмотрены объем и структура потребителей рынка энергопотребления. Шебекинский район был разделен на энергосегменты: Шебекино, Муром, Маслова Пристань, Ржевка, Большетроицкое. Общее количество точек поставок по Шебекинскому району составляет 46 664 ед. При этом пиковые мощности равны 59 МВт, а объем потребления - 330 692 МВт*ч. Также по данным филиала ОАО «МРСК-Центра» - «Белгородэнерго» спрогнозирован рост объема потребления на уровне 1,5% (до 335 604 МВт*ч).

Предлагаемая географическая модель строительства объектов генерации Шебекинского района Белгородской области 2013-2018

В ходе анализа ресурсной базы для выработки электроэнергии за счет альтернативных источников рассмотрены отходы животноводства (птицекомплексы, свинокомплексы и фермы КРС), а также сахарных заводов (жом), водоканалов и отходы ТБО на территории Шебекинского района.

Сравнение показателей энергопотребления Шебекинского района Белгородской области в 2012 и 2018 (прогноз) годах

в разрезе структуры объектов генерации

Данные о ВИЭ были разнесены по энергосегментам с проработкой вопроса о типе генерации и мощностях установок. Произведено сравнение объема потребляемой электроэнергии в энергосегменте и энергопотенциале с учетом растительного сырья (на территории конкретного энергосегмента).

Биогазовая установка. Инвестиционная стоимость

В инвестиционную стоимость биогазовой станции входят следующие основные составляющие:

• Стоимость конструкторской, проектно-сметной и рабочей документации на установку;

• Стоимость и доставка оборудования;

• Стоимость строительно-монтажных работ;

• Стоимость пусконаладочных работ;

• Прочее (разрешения, согласования, обучение персонала, подключения к энергосетям и др.)

Основными инвестиционными затратами при создании биогазовой станции являются затраты на приобретение оборудования и составляют до 60% от общей стоимости проекта. Основными элементами биогазовой станции (БГС) являются:

• Загрузчики твердого (жидкого) сырья

• Ферменторы (метантенки, реакторы)

• Мешалки

• Газгольдеры

• Система смешивания воды и отопления

• Газовая система

• Насосная станция

• Сепараторы

• Приборы контроля

• КИПиА

• Система безопасности

• Когенерационный блок.

Самыми дорогими элементами являются ферменторы из железобетона или стали со специальным покрытием и когенерационный блок (до 70% от общей стоимости оборудования). Стоимость ферментеров зависит от их типа, объема и количества. Стоимость когенерационного блока – от установленной мощности.

Для того чтобы отследить правильные зависимости (объем перерабатываемых отходов и электрическая мощность) между ключевыми элементами установки необходимо обратить более пристальное внимание к самим отходам. Каждый отход характеризуется своими физико-химическими показателями:

• Влажностью

• Содержанием сухого вещества

• Содержанием органического сухого вещества

• Содержанием белков

• Содержанием углеводов

• Содержанием жиров

• рН.

Именно от этих показателей зависит время его сбраживания, количество получаемого биогаза и его состав. Приведем сравнительную таблицу выхода биогаза и его качество (содержание метана) с тонны сырья:

Субстрат	СВ	оСВ	N	P2O5	K2O	Выход биогаза	Содержание метана	Выход метана
	[%]	[%СВ]	[%СВ]			[нм3/т субстрата]	[% об объема Биогаза]	[нм3/т оСВ]
Навозная жижа КРС	10	80	3,5	1,7	6,3	25	56	210
Свиные стоки	6	80	3,6	2,5	2,4	28	61	250
Навоз КРС	25	80	4	3,2	8,8	80	55	250
Птичий помет	40	75	18,4	14,3	13,5	140	64	280
Кукурузный силос	33	95	2,8	1,8	4,3	200	53	340
Травяной силос	35	90	4	2,2	8,9	180	54	310
Свекловичный жом	24	95	н.д.	н.д.	н.д.	68	72	218
Чистый жир	100	98	н.д.	н.д.	н.д.	1300	87	1154

Из таблицы видно, что для одинакового количества подаваемого субстрата количество и качество получаемого биогаза отличаются в разы и, поскольку, только метан поставляет энергию из биогаза, целесообразно, данные о производстве газа выражать в м3 метана на тонну органического сухого вещества (оСВ), это намного точнее и красноречивее нежели данные в м³ биогаза в м³ свежего субстрата.

При этом количество получаемой электроэнергии зависит от объема и качества биогаза.

Для производства 1 МВтч электроэнергии потребуется либо почти 18 тонн навозной жижи КРС, либо 220 кг чистого жира. Поэтому объем ферментеров для переработки данных видов субстратов будет различаться в десятки раз, что влечет за собой отличие и в их стоимости на аналогичный порядок при одинаковой стоимости когенерационного блока.

Биогазовая паровая котельная .Реализованный проект

В репортаже Екатерины Столповской,

Специалиста по связям со СМИ ОАО «Корпорация «Развитие»

В конце апреля на базе крупнейшего агрохолдинга «Приосколье» была запущена экспериментальная, единственная в Европе паровая котельная, работающая на подстилочно-помётной массе. Оборудование изготовлено и смонтировано российским заводом ООО «Союз» (г. Ковров). Новейшая разработка предприятия позволяет получать при сжигании отходов птицеводства пар, который может быть использован для их технологических нужд, получения электроэнергии и тепла. Кроме того, решается вопрос экологии – помёт больше не нужно складировать на полигонах.

По поручению губернатора Белгородской области специалисты ОАО «Корпорация «Развитие» ознакомились с совместным опытом работы компании «Приосколье» и завода «Союз». Была поставлена задача не только всесторонне изучить новый для России метод утилизации отходов птицефабрик, его рентабельность и эффективность, но и сформировать предложение о возможности его широкого применения в регионе.

- Посетив птицефабрику «Приосколье» и увидев в работе паровой котёл, мы получили ответы на интересующие нас вопросы, - рассказал Андрей Урванов, руководитель направления «Альтернативная энергетика» ОАО Корпорация «Развитие». – Как нам пояснили, проект этот адресный, и пригоден только для тех птицефабрик, где используется напольное содержание птицы. Для более детального обсуждения предложений разработчиков, мы недавно побывали на заводе, где нам представили еще ряд не менее перспективных идей по использованию оборудования для сжигания куриного помета. Так пар при определённом давлении и температуре можно направить на паровую турбину и получить на выходе электричество и тепло. Был также озвучен весьма интересный способ утилизации клеточного помёта, малопригодного для биогазовых станций из-за необходимости нейтрализации азота. Его можно перерабатывать в экологически адаптированное органическое удобрение, обеззараженное от микроорганизмов с помощью тепла, при сохранении полезных органических веществ.

Именно поэтому проект интересен и перспективен для нашего региона – белгородские птицефабрики, производящие в год свыше 700 тысяч тонн мяса птицы, могут полностью перейти на замкнутый цикл, без вреда для себя и окружающей среды. Также агрохолдинги смогут существенно снизить свои расходы на электроэнергию и отопление. А значит, в итоге, и себестоимость продукции. Срок его окупаемости – до трёх лет.

Сейчас анализируются все экономические показатели, запланированы дополнительные исследования в Белгородской сельскохозяйственной академии им. В. Я. Горина. В дальнейшем полученные результаты будут представлены на рассмотрение в Правительство области, и в случае получения одобрения со стороны руководства региона, проект будет рекомендован всем птицеводческим компаниям Белгородской области, а Корпорация займется привлечением инвестиций для его реализации.

Александр Лукьянов,

ведущий аналитик ОАО «Корпорация «Развитие»