вторник, 29 марта 2016 г.

ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ СОЛНЦЕ, ВЕТЕР, ВОДА, БИОМАССА, ВОЛНЫ, ПРИЛИВЫ, ТЕМПЕРАТУРА ЗЕМЛИ.

22 любопытных примера использования возобновляемой энергии

Солнце, ветер, вода, биомасса, волны и приливы, температура планеты — все это предоставляет красочные альтернативы невозобновляемым источникам энергии.

пятница, 18 марта 2016 г.

РАСТЁТ ПРОИЗВОДСТВО И ПОТРЕБЛЕНИЕ ПЕЛЛЕТ.

В России растёт производство и потребление пеллет

Согласно планам Правительства РФ, в 2016 г. в России появится 10 новых заводов по производству древесных гранул и брикетов. Об этом сообщает rusenergy.com

Четыре предприятия – два в Сыктывкаре и по одному в Усть-Куте и Новой Игирме – уже практически готовы к запуску. Их суммарная производительность составит 400 тыс. тонн пеллет в год. Учитывая сложившуюся ситуацию, специалисты российского подразделения бельгийской компании ACV, занимающей лидирующие позиции в производстве и продаже бойлеров из нержавеющей стали по технологии «Бак-в-Баке», уверены, что увеличится и внутреннее потребление биотоплива. Общемировая тенденция заботы об экологии и использования возобновляемых источников энергии для отопления и водоснабжения начинает набирать силу и в нашей стране.

Поэтому потенциальная ёмкость отечественного рынка сбыта пеллет очень велика, – утверждает генеральный директор компании «ЭйСиВи Рус» Максим Рыжак. – Часть потребителей до сих пор думает, что совместить требования по минимизации воздействия на окружающую среду с экономичностью и безопасностью непросто: требуется уникальное дорогостоящее оборудование. На самом деле, это миф. Современные бренды, такие как Radijator, давно и успешно решают указанные задачи, выпуская оборудование, отвечающее самым смелым ожиданиям и доступное по цене. Эффективность подобных решений высока и достигает 92%". Сербский завод Radijator совместно с «ЭйСиВи Рус» с 2012 года поставляет в Россию пеллетные котлы мощностью от 15 до 500 кВт.

Спектр применения их очень широк: можно подобрать модель из четырёх линеек – TKAN, COMPACT, BIOMAX и EcoComfort – как для индивидуальных домохозяйств и небольших предприятий, так и для заводов, потребляющих сотни киловатт тепла. Бизнес может оценить финансовую выгоду использования древесных гранул уже на стадии проектирования объекта: например, разработка и согласование плана газификации гораздо сложнее, а подведение трубопроводов – дороже, чем установка пеллетного котла. Также собственникам стоит принять во внимание то, что цены на электроэнергию, нефтепродукты и голубое топливо постоянно растут, а стоимость отходов деревообработки будет иметь обратную зависимость от объёмов выработки.

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ РОССИИ.

Возобновляемые источники энергии в регионах Российской Федерации: проблемы и перспективы

Рубрика: Возобновляемые источники энергии
Автор: О.С. Попель

О.С. Попель, председатель Научного совета РАН по нетрадиционным возобновляемым источникам энергии, заведующий Лабораторией возобновляемых источников энергии и энергоснабжения Объединенного института высоких температур РАН, член Экспертного совета Координационного совета Президиума Генерального совета Всероссийской политической партии «ЕДИНАЯ РОССИЯ» по вопросам энергосбережения и повышения энергетической эффективности

Введение

Сегодня возобновляемые источники энергии (ВИЭ) привлекают все большее внимание, как простых людей, так и руководств многих государств, международных организаций. На заседаниях Большой восьмерки (двадцатки) в последнее время регулярно обсуждаются нарастающие проблемы энергетики и экологии, решение которых в мировом масштабе в будущем не представляется возможным без широкого использования экологически чистых ВИЭ.

Как ни печально, но следует признать, что в отличие от многих других стран в России ясной и последовательной государственной политики в области ВИЭ пока не сформулировано. Политические декларации о важности ВИЭ пока не подкреплены необходимым набором законодательных актов и нормативных документов, стимулирующих использование ВИЭ и определяющих «правила игры» для инвесторов и потребителей «зеленой энергии». Отношение к ВИЭ в России полярное. Есть энтузиасты, которые настаивают на том, что ВИЭ нам нужно использовать как можно шире уже прямо сейчас, а есть пессимисты, в основном из среды топливно-энергетического комплекса, которые утверждают, что для России, являющейся энергетической державой с огромными запасами органических топлив, ВИЭ малоперспективны, в обозримом будущем не смогут внести заметный вклад в энергобаланс страны и поэтому ими всерьез заниматься пока не следует.

В своей статье я хотел бы постараться объективно осветить проблему, дать общую картину, что происходит с возобновляемыми источниками энергии в мире и обосновать, насколько они актуальны для России.

Возобновляемые источники включают широкий спектр источников энергии и технологий их преобразования в полезные для человека виды (электричество, тепло, холод, печные и моторные топлива и т.п.). Большая часть ВИЭ имеют солнечное происхождение (само солнечное излучение, ветер, водные потоки, биомасса). К «не солнечным» относятся геотермальная энергия, морские приливы, сбросное тепло антропогенного происхождения и др. Отмечу, что все известные источники в той или и иной степени могут претендовать на то, чтобы найти эффективное применение в том или ином секторе экономики.

Стимулы развития ВИЭ в мире

Основными стимулами развития возобновляемых источников в мире являются следующие обостряющиеся со временем проблемы, стоящие перед человечеством:

1. Как обеспечить возрастающие энергетические потребности быстро растущего населения мира? В начале ХХI века мировое потребление энергии превысило 500 ЭДж/год (1 ЭДж = 10¹⁸ Дж) или около 12 млрд тн.э./год. По различным прогнозам уже к 2020г. мировое энергопотребление возрастет более чем в полтора раза, в первую очередь, за счет развивающихся стран (рост населения с одновременным повышением удельного в расчете на 1 человека потребления энергии). В условиях постепенного истощения дешевых запасов органического топлива возможность полного и с приемлемыми затратами удовлетворения растущих энергетических потребностей вызывает серьезные опасения. Ядерная энергетика после ряда серьезных аварий на АЭС пока не вызывает доверия общественности, да и ее полноценное развитие возможно лишь при переходе на новые типы реакторов-размножителей, обеспечивающих воспроизводство ядерного топлива, что сопряжено с необходимостью освоения новых технологий и определенными дополнительными рисками. Термоядерная энергетика пока не вышла из стадии фундаментальных исследований, и сроки ее возможного промышленного освоения пока не предсказуемы. В этой ситуации ставка на расширение масштабов использования ВИЭ, ресурсы которых по сравнению с обозримыми энергетическими потребностями человечества практически неограниченны, несмотря на повышенные затраты, представляется вполне оправданной.
2. Как обеспечить энергетическую безопасность стран и регионов, сильно зависящих от импорта энергоресурсов? Эта проблема стоит еще более остро и актуально, чем предыдущая. Мир довольно жестко поделен на страны экспортеры и импортеры энергоресурсов. Месторождения органических топлив и урана по миру распределены крайне «несправедливо», что вызывает экономические и политические кризисы и создает напряженность в мире. ВИЭ распределены по странам мира более или менее равномерно и доступны в том или ином виде и количестве в любой географической точке, что обусловливает их дополнительную привлекательность.
3. Как обеспечить экологическую безопасность? Масштабы современной энергетики пока еще малы в рамках природного энергетического баланса: потребление энергии человечеством составляет всего около 2/10000 суммарного поступления энергии солнечного излучения на поверхность Земли. Вместе с тем, в сравнении с энергией, идущей на процессы фотосинтеза (около 40 ТВт), мировая энергетика соизмерима и, по оценкам, достигает около 20% от нее, что указывает на принципиальную возможность заметного глобального влияния энергетики на биосферу. Энергетика ответственна примерно за 50% всех вредных антропогенных выбросов в окружающую среду, в том числе парниковых газов. Не вызывает сомнений, что ВИЭ более экологически безопасны, чем традиционные источники.

Немаловажными аргументами в пользу развития ВИЭ являются также:

забота о будущих поколениях: энергетика - крайне инерционная сфера экономики, продвижение новых энергетических технологий занимает десятки лет, необходима диверсификация первичных источников энергии, в том числе за счет разумного использования ВИЭ;
многие технологии энергетического использования ВИЭ уже подтвердили свою состоятельность и за последнее десятилетие продемонстрировали существенное улучшение технико-экономических показателей. Удельные капитальные затраты на создание энергоустановок на ВИЭ и стоимость генерируемой ими энергии приблизились к аналогичным показателям традиционных энергоустановок, и в ряде случаев использование ВИЭ в некоторых регионах и практических приложениях стало вполне конкурентоспособным.

Недостатки ВИЭ

Справедливости ради необходимо отметить, что ВИЭ имеют как массу достоинств, так и существенные недостатки. К недостаткам, прежде всего, относится то, что ВИЭ характеризуются, как правило, небольшой плотностью энергетических потоков: солнечное излучение - менее 1 кВт на 1 м², ветер при скорости 10 м/с и поток воды при скорости 1 м/с - около 500 Вт на 1 м². В то время как в современных энергетических устройствах, мы имеем потоки, измеряемые сотнями киловатт, а иногда и мегаваттами на 1 м². Сбор, преобразование и управление энергетическими потоками малой плотности, в ряде случаев имеющих суточную, сезонную и погодную нестабильность, требуют значительных затрат на создание приемников, преобразователей, аккумуляторов, регуляторов и т.п. Высокие начальные капитальные затраты, правда, в большинстве случаев компенсируются низкими эксплуатационными издержками.

Важно подчеркнуть, что использование ВИЭ оказывается целесообразным, как правило, лишь в оптимальном сочетании с мерами повышения энергоэффективности: например, бессмысленно устанавливать дорогие солнечные системы отопления или тепловые насосы на дом с высокими тепловыми потерями, неразумно с помощью фотоэлектрических преобразователей обеспечивать питание электроприборов с низким КПД, например, систем освещения с лампами накаливания.

Практика использования ВИЭ в мире

Каковы масштабы практического использования ВИЭ в мире? Имеющиеся данные позволяют утверждать, что в мире наблюдается бум возобновляемой энергетики.

Установленная мощность электрогенерирующих установок на нетрадиционных ВИЭ (без крупных ГЭС) к концу 2008 г. достигла 280 ГВт, а в 2010 г. превысила мощность всех атомных электростанций - 340 ГВт. Суммарная мощность 150 тыс. ВЭУ в составе сетевых ветростанций на конец 2009 г. составила 159 ГВт. За 2009 г. в эксплуатацию было введено 39 ГВт ВЭУ, их установленная мощность по сравнению с концом 2008 г. (120 ГВт) выросла на 32%. Выработка ими электроэнергии в 2009 г. достигла 324 ТВт×ч.

Суммарная мощность действующих в мире фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) к концу 2009 г. достигла 21,3 ГВт, причем в 2009 г. в эксплуатацию было введено более 7 ГВт, а прирост продаж ФЭП на мировом рынке за год составил более 50%. Годовая выработка ими электроэнергии в 2009 г. составила 23,9 ТВт×ч.

Суммарная мощность энергоустановок на биомассе в 2009 г. достигла 60 ГВт, а годовая выработка электроэнергии более 300 ТВт×ч.

Мощность геотермальных электростанций превысила 10,7 ГВт, а выработка ими электроэнергии 62 ТВт×ч/год.

Суммарная тепловая мощность установок солнечного теплоснабжения в 2008 г. достигла 145 ГВт (более 180 млн м² солнечных коллекторов), солнечное горячее водоснабжение имеет более 60 млн домов в мире, ежегодные темпы роста более 15%.

Производство биотоплив (этанол и биодизель) в 2008 г. превысило 79 млрд литров в год (около 5% от ежегодного мирового потребления бензина, биоэтанол - 67, биодизель - 12 млрд литров в год. По сравнению с 2004 г. производство биодизеля возросло в 6 раз, а биоэтанола удвоилось).

В 30 странах мира действует более 2 млн тепловых насосов, суммарной тепловой мощностью более 30 ГВт, утилизирующих природное и сбросное тепло и обеспечивающих тепло- и холодоснабжение зданий.

В настоящее время около 100 стран имеют специальные государственные программы освоения ВИЭ и на государственном уровне утвержденные индикативные показатели их развития на среднесрочную и долгосрочную перспективу. Большинство стран ставят своей целью добиться вклада ВИЭ в энергобаланс страны на уровне не менее 15-20% к 2020 г., а страны Европейского Союза - до 40% к 2040 г. Приоритетное развитие ВИЭ с темпами роста в десятки процентов в год осуществляется при мощной государственной законодательной, финансовой и политической поддержке.

ВИЭ в России

Что же происходит в России? Нужно ли в России форсировать развитие использования ВИЭ?

С точки зрения макроэкономических показателей, Россия, казалось бы, с избытком обеспечена традиционными энергоресурсами. Анализ энергобаланса показывает, то из всех добываемых в стране энергоресурсов около 2/3 экспортируется за рубеж. 45% - в натуральном виде, еще около 13% - в виде энергоемкой продукции низкого передела (металл, удобрения и т.п.), около 6% - приходится на энергию, затрачиваемую на транспорт энергоресурсов и указанной продукции по территории России за рубеж. Что касается нефти, то сегодня 80% всей добываемой в стране нефти экспортируется. Утвержденная Энергетическая стратегия России на период до 2030 г. фактически предусматривает лишь незначительное относительное снижение экспорта энергоресурсов. Экспортная ориентация во многом обусловлена тем, что нефтегазовый комплекс страны обеспечивает около 17% российского ВВП и более 40% доходов консолидированного бюджета, и отказаться от таких доходов крайне сложно. Возникает, однако, вопрос: насколько такая политика дальновидна и стратегически обоснована?

Успокаивает, видимо, то что, по имеющимся оценкам, Россия занимает 1 место по запасам природного газа (23% мировых запасов), 2 место по запасам угля (19% мировых запасов), 5-7 место по запасам нефти (4-5% мировых запасов). На Россию приходится 8% мировой добычи природного урана. Однако и в России легкодоступные месторождения относительно дешевых энергоресурсов быстро истощаются, а разведка и освоение новых месторождений требует огромных затрат. Очевидно, что энергетическая политика страны уже в ближайшее время потребует серьезной коррекции в сторону более рачительного использования энергоресурсов.

С точки зрения международных обязательств России по экологии в стране пока все обстоит благополучно. Резкое падение производства в 1990-2000 гг. привело почти к 40% сокращению выбросов СО₂ в атмосферу.

Оценки показывают, что даже без принятия специальных мер к 2030 г. объемы выбросов не достигнут уровня 1990 г., и проявлять особого беспокойства по этому поводу не требуется.

Приведенные данные, казалось бы, на стороне пессимистов: возобновляемые источники энергии для России при макроэкономическом анализе представляются не актуальными.

Однако давайте теперь посмотрим на Россию, немного с других позиций: с позиций регионов страны и конкретных потребителей энергии.

Факты говорят о том, что:

2/3 территории страны с населением около 20 млн человек находится вне сетей централизованного энергоснабжения. Это - районы страны с наиболее высокими ценами и тарифами на топливо и энергию (10-20руб./кВт и выше);
большая часть регионов страны реально энергодефицитны, нуждаются в завозе топлива и поставке энергии. Для них столь же актуально решение проблемы региональной энергетической безопасности, как и для стран-импортеров энергоресурсов;
в нашей стране, являющейся газовой державой, газифицировано лишь около 50% городских и около 35% сельских населенных пунктов. Здесь используется уголь, нефтепродукты, являющиеся источниками локального загрязнения окружающей среды;
в условиях постоянного роста тарифов и цен на энергию и топливо, растущих затрат на подключение к сетям централизованного энергоснабжения автономная энергетика в стране развивается опережающими темпами: ввод за последние 10 лет дизельных и бензогенераторов единичной мощностью до 100кВт превысил ввод крупных электростанций. Потребители энергии стремятся обеспечить себя собственными источниками электроэнергии и тепла, что, как правило, ведет к снижению эффективности использования топлива по сравнению с комбинированным производством электроэнергии и тепла на ТЭЦ и снижению эффективности всей энергетики страны.

Технико-экономические оценки показывают, что именно районы с децентрализованным и автономным энергоснабжением являются наиболее привлекательными для эффективного использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Необходимо проведение целенаправленных исследований и разработок в обоснование эффективности практического использования ВИЭ в конкретных условиях с учетом реальных климатических условий и особенностей потребителей. Крайне важно при поддержке региональных властей создание сети демонстрационных объектов, наглядно показывающих преимущества использования ВИЭ и служащих центрами развития бизнеса в этом секторе энергетики.

Вклад нетрадиционных ВИЭ (без крупных ГЭС) в энергобаланс России пока не превышает 1%. Принятые в последнее время государственные решения предписывают довести вклад ВИЭ к 2020 г. до 4,5%, что потребует ввода энергоустановок на ВИЭ суммарной мощностью 20-25 ГВт. Однако эти решения пока не подкреплены должным образом законодательством и нормативными актами, не приняты принципиальные решения о стимулировании развития ВИЭ, что делает проблематичным выполнение принятых решений.

Россия существенно отстает от ведущих стран по разработке и освоению технологий использования ВИЭ. Тем не менее, имеются примеры реализации успешных проектов в этой области. Это относится к созданию нескольких геотермальных станций на Камчатке, ввод которых позволил существенно сократить объемы завоза дизельного топлива в этот регион. Частный бизнес осуществил «прорыв» в освоении производства древесных пеллет из отходов деревопереработки. Россия вошла в число мировых лидеров по объему производства пеллет (более 2 млн т в год). К сожалению, они производятся преимущественно для экспорта в европейские страны, внутри страны эффективное их использование пока сдерживается административными и экономическими барьерами. Имеются определенные успехи в создании приливных энергоустановок с использованием оригинальных отечественных разработок. Ряд компаний уделяют большое внимание освоению технологий масштабного производства фотоэлектрических преобразователей, но, опять же, с ориентацией преимущественно на экспорт.

Выводы и предложения

Итак, несмотря на то, что Россия, безусловно, лучше, чем любая другая страна в мире, обеспечена собственными запасами традиционных топливно-энергетических ресурсов, развитие возобновляемых источников энергии является крайне важным стратегическим направлением будущей энергетики. Необходимость ускоренного развития ВИЭ уже сегодня в России обусловлено как потребностями в обеспечении энергетической безопасности регионов страны находящихся вне систем централизованного энергоснабжения, где многие технологии использования ВИЭ достигли уровня конкурентоспособности, так и потребностями создания надежного задела в инновационном развитии энергетики страны для будущих поколений.

Если в автономной энергетике многие технологии использования ВИЭ уже сегодня могут быть вполне конкурентоспособными, то в централизованной энергетике требуется реализация мер государственной экономической поддержки по аналогии с другими странами. В этой сфере крайне важно ускорение принятия предусмотренных распоряжениями Правительства нормативных документов, стимулирующих развитие ВИЭ.

Ускоренное развитие ВИЭ в России необходимо рассматривать как важный фактор модернизации экономики, в том числе связанной с развитием инновационных производств, разработкой новых инновационных технологий, развитием малого и среднего бизнеса, созданием новых рабочих мест, улучшением социальных условий, улучшением экологии и т.п.

Государство должно быть заинтересованным в развитии ВИЭ и активно содействовать развитию этого нового направления в энергетике, прежде всего, путем создания стимулов для бизнеса. При этом участие государства в развитии ВИЭ не должно стать благотворительностью за счет налогоплательщика, а государственным бизнесом. Каждый затраченный бюджетный рубль на поддержку ВИЭ должен стать окупаемым, он, как показывают оценки и опыт других стран, может и должен приносить прибыль в бюджет в результате развития бизнеса.

понедельник, 14 марта 2016 г.

БИОГАЗОВЫЕ УСТАНОВКИ.

Биогазовые установки и возможности их модернизации

В условиях постоянного повышения цен на основные энергоносители, а также истощения углеводородных ресурсов Земли все большее количество стран развивают альтернативные источники энергии.

Одним из видов таких источников является биогаз. Исследования в этой области, несмотря на известные трудности, проводятся в Республике Казахстан. В значительно меньшем объеме работы проходят в России, хотя полномасштабное развитие биогазовой отрасли здесь, по мнению автора, позволило бы решить ряд важных экономических задач.

Следует отметить, что основным недостатком биогазовой энергетики является значительный вес удельных капитальных затрат (в расчете на единицу мощности), невысокая рентабельность проектов, а также проблемы с организацией сбыта энергии посредством централизованных сетей.

Несмотря на это, в нашей стране наблюдается увеличение спроса на биогазовые установки (БГУ), как для малых потребителей (с объемом метантенка 3 20 кубических метров), так и для средних (с объемом метантенка 30 100 кубометров).

Комплексный подход

Современные технологии производства, по возможности, должны быть связаны между собой таким образом, что конечный цикл одного из них становится началом другого цикла, благодаря чему достигается практически полная безотходность и интенсификация производства. Именно такой комплексный подход, когда отходы и побочные продукты одного производства выступают в качестве сырья или полуфабрикатов для другого, поможет решить проблему устойчивого развития общества.

Известно, что животные не полностью усваивают энергию растительных кормов и более половины ее уходит в навоз, который является, после того или иного вида переработки, ценным органическим удобрением.

Содержание животных на фермах приводит к увеличению концентрации объемов навоза и навозных стоков в хозяйствах. А это дает возможность организовать их переработку не только в удобрения, но и в биогаз, не загрязняя окружающую среду. При этом биогаз по сути своей становится возобновляемым источником энергии (ВИЭ).

Комплексный подход в производственной деятельности, когда «отходы», в том числе органические, тепловые, водные, газо-воздушные, перерабатываются в технологической цепочке производства, минимально отражается на качестве окружающей среды, на продуктивности зональных экосистем.

Структура установки

Обычно под биогазовой установкой подразумевается комплекс инженерных сооружений, состоящий из устройств:

∙ подготовки сырья;

∙ производства биогаза и удобрений;

∙ очистки и хранения биогаза;

∙ производства электроэнергии и тепла;

∙ автоматизированной системы управления БГУ.

Метантенк БГУ должен быть герметичен, в него не должно быть доступа кислорода, так как только при отсутствии кислорода возможна жизнедеятельность метанообразующих бактерий.

Оптимальная температура метаногенеза зависит от вида перерабатываемого установкой субстрата (органических отходов).

Контрольно-измерительные приборы, устанавливаемые на метантенке, должны обеспечивать контроль уровня субстрата в нем, температуры и давления внутри него.

Современные технологии позволяют перерабатывать в биогаз любые виды органического сырья, однако наиболее эффективно использование биогазовых технологий для переработки отходов животноводческих и птицеводческих ферм и сточных вод, так как они характеризуются постоянством потока отходов во времени и простотой их сбора.

Сырье для биогаза

Поскольку сырьем для получения биогаза может служить широкий спектр органических отходов, на многих существующих установках используется добавка к обрабатываемым веществам так называемой зеленой массы. Конечно, измельчение зеленой массы приводит к дополнительным затратам энергии.

Активный обмен веществ и высокая скорость биохимических обменных процессов в метантенке достигаются за счет максимального поддерживания и непрерывного обновления величин граничных поверхностей между твердой и жидкой фазами. Поэтому твердые материалы, в особенности растительного происхождения, должны быть предварительно подготовлены с помощью режущих, разрывающих или плющильных устройств, чтобы получить частицы возможно меньшего размера. Доля взвешенных в жидкости твердых частиц в значительной мере зависит от технических средств, которые используются для получения тщательного перемешивания, гидравлического транспортирования субстрата и отделения биогаза. Современные БГУ позволяют перерабатывать субстраты с содержанием сухого вещества до 12 процентов, если размер волокнистых или стеблевых элементов не превышает 30 миллиметров.

В метантенке необходимо организовать периодическое перемешивание субстрата, которое обеспечивает эффективную и стабильную работу установки. Цель перемешивания – высвобождение образованного биогаза, примешивание свежего субстрата и бактерий (прививка), предотвращение образования корки и осадка, недопущение образования участков разной температуры внутри метантенка, обеспечение равномерного распределения популяции бактерий, предотвращение формирования пустот и скоплений, уменьшающих эффективную площадь метантенка. При выборе метода перемешивания нужно учитывать, что процесс сбраживания представляет собой процесс жизнедеятельности симбиоза различных штаммов бактерий и при разрушении этого сообщества процесс ферментации будет непродуктивным до образования нового сообщества бактерий. Поэтому слишком частое или продолжительное перемешивание вредно. Рекомендуется медленное перемешивание субстрата через каждые 4 6 часов.

Оптимальное перемешивание сырья повышает выход биогаза до 50 процентов.

Режимы производства

БГУ обеспечивают утилизацию (переработку) органических отходов в следующих режимах.

1. В психрофильном режиме. Оптимальная температура в метантенке 15 20 °С, но может быть и ниже. В таком режиме отходы перерабатываются 30 40 дней. Психрофильный режим обычно используется в летнее время года в случае, когда тепло и количество субстрата (отходов) значительно меньше обычного, например из за выпаса скота.

2. В мезофильном режиме. При температуре 30 40 °С органические отходы перерабатываются 7 15 дней, в зависимости от вида отходов.

3. В термофильном режиме. При температуре 52 56 °С органические отходы перерабатываются за 5 10 дней, при этом качество газа и удобрений, по ряду показателей, обычно ниже, чем в мезофильном режиме. Кроме того, в термофильном режиме традиционно потребляется больше энергии для обогрева. Он подходит большего всего тем, у кого основная задача – переработать большое количество отходов. При оптимизации работы установки и состава отходов можно ускорить переработку даже до 3 4 дней. Выгода от работы в термофильном режиме в том, что резко снижается стоимость 1 кВт установленной мощности БГУ.

Требования к допустимым пределам колебания температуры субстрата, для оптимального газообразования, тем жестче, чем выше температура процесса ферментации: при психрофильном температурном режиме ± 2 °С в час, мезофильном – ± 1 °С в час, термофильном – ± 0,5 °С в час.

Поскольку, например, в Московском регионе среднегодовая температура исходного субстрата составляет около 10 °С, а температура окружающей среды около 4 °С, то необходимость в системе подогрева субстрата и поддержания его температуры в процессе ферментации очевидна. До 60 процентов полученного биогаза тратится на собственные нужды БГУ. При этом наиболее энергоемким является процесс нагрева субстрата, суточной дозы загрузки метантенка, на который идет около 95 процентов энергии, расходуемой на собственные нужды установки.

Наиболее распространенной системой подогрева является внешняя система подогрева с водонагревательным котлом (котельной установкой), работающим на биогазе, электричестве или твердом топливе, где теплоносителем является вода с температурой около 60 °С. Более высокая температура теплоносителя повышает риск налипания взвешенных частиц на поверхности теплообменника – теплообменники рекомендуется располагать в зоне действия перемешивающего устройства.

Возможности применения

В состав биогаза входит примерно 55 60 процентов биометана и 40 45 процентов углекислого газа. На этом газу могут работать бытовые газовые приборы, включая газовые водонагреватели, обогреватели воздуха и газогенераторы. Биометан – продукт, получаемый путем очищения биогаза от СО2, используемый как биотопливо (ГОСТ Р 52808 2007).

Биогаз легче воздуха (1,05 1,2 кг /м³ ), поэтому стремится вверх.

Оптимальный способ накопления биогаза зависит от того, для каких целей он будет использован. При прямом сжигании биогаза в горелках котлов и двигателях внутреннего сгорания не требуются большие газгольдеры. В этих случаях они должны обеспечивать выравнивание неравномерностей газовыделения и улучшение условий последующего горения, в зависимости от типа и выдерживаемого давления объем газгольдера составляет от одной пятой до одной третьей объема реактора. Пластиковые газгольдеры применяют для сбора биогаза в простых, совмещенных установках, где пластиком покрывают открытую емкость, служащую в качестве реактора, или отдельный пластиковый агрегат соединяют с реактором. Газгольдер должен вмещать суточный объем вырабатываемого биогаза. Стальные газгольдеры делят на газгольдеры низкого (0,01 0,05 кгс / см² ), среднего (8 10 кгс / см² ) и высокого (200 кгс / см² ) давления. Стальные газгольдеры низкого давления оправданы только в случае большого расстояния (минимум 50 100 метров) от установки до использующих биогаз приборов. В других случаях следует рассматривать возможность использования более дешевого пластикового газгольдера.

В газгольдеры среднего и высокого давления газ закачивается с помощью компрессора. Агрегаты высокого давления используют для заправки автомашин и баллонов.

Привлекательно применение биогаза для факельного обогрева теплиц. Кроме поступления углекислого газа из газгольдера происходит образование углекислого газа при сгорании биометана, производится освещение теплиц и одновременно образуется вода, увлажняющая воздух.

Биогаз позволяет существенно снизить суточную потребность домашнего хозяйства в газе для приготовления пищи и подогрева воды. Обычно она составляет 2 3 кубометра природного газа в сутки. Это эквивалентно 3,5 5 кубометров биогаза.

Еще одно направление использования составных компонентов биогаза – утилизация углекислого газа, содержащегося в нем в количестве около 40 процентов. Извлекая углекислый газ путем отмывки (в отличие от биометана, он растворяется в воде), можно подавать его в теплицы, где он служит «воздушным удобрением», увеличивая продуктивность растений.

Преимущества солнечного соляного пруда

Мы рассмотрим традиционную БГУ и установку, метантенк которой размещен на дне солнечного соляного пруда.

Использование для биогаза солнечных соляных прудов имеет ряд отличительных особенностей. Так, например, для БГУ с ССП не требуется здания (помещения) для размещения метантенка.

Не требуется система подогрева субстрата от теплоносителя биогазовой котельной установки (подогрев осуществляется от теплоты рассола солнечного соляного пруда) и система вентиляции с резервным электропитанием. Не требуется система контроля концентрации газов в воздухе помещения метантенка (контроль герметичности метантенка осуществляется по отсутствию / наличию пузырьков биогаза, поднимающегося на поверхность зеркала ССП), оборудование для размораживания сырья зимой, система пожаротушения. Но нужен навес (помещение) для пульта управления (в традиционном варианте последний расположен в здании, где находится метантенк). Поскольку солнечный соляной пруд может одновременно являться и противопожарным водоемом, это предотвращает расход части средств.

БГУ должна располагаться, по возможности, ближе к источникам перерабатываемого сырья (местам содержания животных, складирования отходов и т. д.). Тепловую энергию ССП можно будет использовать для горячего водоснабжения ферм.

Поскольку подогрев субстрата в метантенке, размещенном на дне ССП, осуществляется от теплоты рассола пруда, то режимы ферментации в нем в течение летнего периода различны. Они зависят от температуры, которой обладает рассол.

Весной при переходе с мезофильного на термофильный режим, для повышения температуры субстрата в метантенке объемом 20 кубометров с 35 до 53 °С требуется около 420 кВт-ч теплоты. При использовании для этой цели теплоты рассола пруда площадью 78,5 квадратного метра (диаметр пруда 10 метров) температура рассола понизится примерно на 6 С.

Осенью, когда температура в ССП понижается, для поддержания эффективного температурного режима анаэробной обработки отходов животноводства к ним можно добавлять высокоэнергетические компоненты, увеличивающие выделение экзотермической теплоты при ферментации (сахарный жом, отходы пищевой промышленности с высоким содержанием жиров, силос, клеверозлаковая смесь и т. п.).

То, что работа в термофильном режиме и использование теплоты рассола ССП, вместо биогаза, для поддержания температуры ферментации имеет свои неоспоримые преимущества, подтверждается результатами испытаний БГУ в фермерском хозяйстве Республики Казахстан.

Результаты испытаний

Они были проведены сотрудниками Казахского научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства.

Биореактор испытывался в режиме биообработки жидкого навоза, поступающего на обработку из коровника на сорок голов. Технология содержания животных – смешанная (стойлово-выгульная).

В результате испытаний установлено, что биогазовая установка соответствует требованиям ГОСТ 31343 2007.

Производительность установки по биогазу составляет – 6,5 11,5 м³ / сут., по удобрению – 0,5 0,7 т / сут., объем биореактора – 5 кубометров, температура субстрата в биореакторе соответствует термофильному режиму – 52 54 °С, расход биогаза на нагрев – 6,2 м³ / сут., доза загрузки – 10 процентов, плотность полученного удобрения – 964,9 кг / м³ , массовая доля сухого вещества – 4,7 процента, эффективность обеззараживания навоза – 99 процентов.

По результатам проведенной в Казахстане работы следует, что для БГУ, метантенк которой размещен в ССП, для ускорения начала термофильного режима весной и мезофильного осенью, а также снижения времени перерыва в выработке биогаза целесообразно готовить в термостатированной емкости субстрат с колонией термофильных (мезофильных) бактерий анаэробного вида.

В связи с тем, что БГУ обоих типов могут работать как в мезофильном, так и в термофильном режиме ферментации, вырабатываемые ими два вида удобрений будут одинаковы.

Различие будет в товарных объемах этих видов удобрений и биогаза (биометана), поскольку в традиционной установке значительная часть биогаза используется на поддержание температуры термофильного режима, а это не всегда приветствуется в хозяйствах и часто будет вынуждать собственника переходить на мезофильный режим работы.

Самое главное – разработка и регистрация стандарта предприятия на эффлюент – органическое удобрение, полученное в результате анаэробной переработки органических отходов в метантенках (фугата – жидкой фракции эффлюента, шлама – твердой фракции эффлюента) (ГОСТ Р 52808 2007).

Ведь только при условии надлежащей реализации эффлюента возможен коммерческий успех любого биогазового проекта.

Принцип работы

Перспективным представляется более расширенное использование солнечной энергии, аккумулированной солнечным соляным прудом.

Энергию солнечного соляного рва (пруда в форме кольца, охватывающего придонную боковую поверхность метантенка) можно использовать для подогрева субстрата и для больших биогазовых установок.

Метантенк размещен на дне пруда, в который поступает прямое солнечное излучение и отраженное от боковой наружной поверхности метантенка солнечное излучение.

Поддержание необходимой температуры ферментации в метантенке за счет использования солнечной энергии (теплоты рассола рва) обеспечивается следующим образом.

При заполнении наружного и внутреннего кольцевых зазоров водой поступление тепла из солнечного соляного пруда к субстрату в метантенке максимально. Это обеспечивает, при необходимости, ускоренный нагрев сырья до требуемой температуры ферментации. После нагрева субстрата до требуемой температуры производится слив воды из наружного или внутреннего зазоров, и их осушение. В результате интенсивность поступления тепла из солнечного соляного пруда через воздушные зазоры уменьшается в десятки-сотни раз по сравнению с тем, когда они были заполнены водой. Можно осушать и один из зазоров.

Дальнейшее поддержание температуры субстрата в требуемых пределах можно обеспечивать как за счет синхронного регулирования подачи «горячего» сырья и отвода эффлюента, так и за счет периодического заполнения зазоров водой и создания в этих зазорах низкого вакуума.

Такая комбинированная установка генерации биогаза может обеспечить работу метантенка в термофильном режиме, в первую очередь в странах с жарким климатом (Киргизия, Узбекистан, Таджикистан), без затрат вырабатываемого биогаза на собственные технологические нужды. Это очень актуально, если затем биометан используется в качестве моторного топлива, для обжига кирпича, освещения, для производства асфальта, выработки пара и для других технологических процессов, где нужна температура, намного превышающая 100 °С.

В зазоре наружном, при осушенном внутреннем, в течение всего летнего периода можно подогревать воду для приготовления субстрата.

Кроме того, можно подогревать воду весной, для использования при поливе в теплицах и парниках, обеспечивая поддержание в них приемлемой температуры не только воздуха, но и грунта, т. к., например, в мае естественная средняя месячная температура почвы на юге Омской области на глубине 0,4 метра составляет 8,7 °С, на глубине 0,8 метра – 5,1 °С, а на глубине 1,6 метра – всего 0,9 °С.

При наружном зазоре прокачкой холодной воды по внутреннему можно охлаждать субстрат.

Для более эффективного аккумулирования солнечной энергии солнечным соляным рвом с северной стороны метантенка надо установить отражатель (концентратор солнечной энергии), который будет направлять отраженное солнечное излучение в северную часть рва (пруда) в наиболее солнечное время.

Дополнительные достоинства

Использование в технологическом производстве биогаза солнечной энергии позволяет обеспечить его летнее и осеннее производство с наибольшей эффективностью, что особенно важно в районах, отрезанных от крупных энергетических центров из за разлива рек, бездорожья и т. д.

БГУ такого типа позволят более эффективно обеспечивать за счет вырабатываемого удобрения поддержание плодородия почв, предотвращать свободную эмиссию биометана в атмосферу.

Прибыль от эксплуатации БГУ зависит от многих факторов, включая продажи «побочных» продуктов. Самую значительную прибавку к прибыли от продажи биометана можно получать от реализации жидких удобрений, поскольку это высоколиквидная продукция, пользующаяся постоянным спросом. Спрос на удобрения есть всегда, поскольку непреложным фактором функционирования аграрной биосистемы является баланс между внесением в почву и выносом из нее энергии в виде питательных веществ: внесение их должно быть не менее выноса.

При выработке биогаза использование солнечной энергии для подогрева субстрата в большом метантенке позволит летом и осенью применять термофильный режим ферментации. В этом случае, при том же объеме метантенка, выход биогаза увеличится в полтора-два раза.

Стоимость БГУ с солнечным соляным прудом значительно ниже стоимости традиционной БГУ при одинаковых объемах метантенков. При этом использование термофильного режима ферментации в них дополнительно ведет к снижению стоимости 1 кВт их установленной мощности.

За летний период эксплуатации БГУ с ССП при работе большую часть времени в термофильном режиме можно получать больше товарного биогаза по сравнению с традиционной БГУ.

Поскольку эффективность обеззараживания удобрения у БГУ с ССП выше, то и доход от реализации удобрений будет также выше.

Модернизация с использованием соляного пруда БГУ позволит уменьшить вес удельных капитальных затрат в полтора-два раза (в расчете на единицу мощности) и повысить рентабельность биогазовых проектов.

Геннадий ОСАДЧИЙ

вторник, 29 марта 2016 г.