Биоэнергетические комплексы на защите природного ландшафта и атмосферы в условиях животноводства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова

Биоэнергетические комплексы на защите природного ландшафта и атмосферы в условиях животноводства

Вендин С.В., Мамонтов А.Ю., Шаршуков Н.О.

Аннотация

По графикам прогнозного развития мировой энергетики определена превалирующая роль возобновляемых источников энергии после 2060 года. В увеличении мощности ВИЭ участвует и биогаз, генерируемый биоэнергетическими комплексами на базе отходов животноводства и птицеводства.

Сделан краткий обзор влияния таких отходов на окружающую среду.

Анализ движения выбросов углекислого газа при сжигании биогаза показал, что он является экологически чистым видом ВИЭ, так как при этом в атмосфере идёт не накопление, а замещение CО₂. Эксплуатация биоэнергетических комплексов в животноводстве и птицеводстве, кроме этого, позволяет утилизировать отходы в полезные биоудобрения, значительно сократить выделения метана при неорганизованном брожении и при выработке электроэнергии и тепла заменить экологически опасные не возобновляемые источники энергии.

Применено понятие коэффициента экологической опасности при выработке энергии. Такой коэффициент для биокомплекса, например, на базе хозяйства из 3000 голов КРС, равен -0,723 (кг CО₂ и отходов)/МДж. Знак (-) указывает на факт защиты биосферы предотвращением экологической опасности.

Ключевые слова: ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ, БИОМАССА, ОТХОДЫ ЖИВОТНОВОДСТВА, ПРИРОДНЫЙ ЛАНДШАФТ, АТМОСФЕРА, БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС, ПАРНИКОВЫЕ ГАЗЫ, УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ, МЕТАН, ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОПАСНОСТЬ, ПРЕДОТВРАЩЁННЫЙ УЩЕРБ

Введение

Постепенное истощение не возобновляемых энергетических ресурсов потребует уже в нашем веке развития альтернативных возобновляемых источников энергии и создания на их основе тепло- и электроцентралей. По данным на рис. 1, после 2060 года должен произойти «перелом» в энергоснабжении населения Земного шара.

Рис. 1 Динамика прогнозного развития мировой энергетики [1] 1 - уголь; 2 - нефть; 3 - природный газ; 4 - ядерное топливо; 5 - возобновляемые источники энергии: биомасса, солнечная энергия, ветровая энергия, гидроэнергия, океаническая энергия, геотермальная энергия и другие виды энергии

В это время совместная выработка энергии за счёт угля, нефти, природного газа и ядерного топлива станет меньше, чем суммарная выработка энергии от возобновляемых источников, куда, кроме солнечной, ветровой, гидро-, океанической и геотермальной энергии, будет входить также энергия от сжигания биогаза, получаемого конверсией биомассы.

В формировании последней существенная роль будет постепенно отводиться отходам животноводства и птицеводства (далее - животноводства). Сбор этих отходов, получение из них анаэробным сбраживанием биоудобрений и биогаза на основе метана, а также сжигание биогаза в когенерационных установках - основные этапы функционирования биокомплексов в животноводстве. При создании и освоении человеком новых развивающихся процессов всегда возникают вопросы о степени влияния таких процессов на окружающую среду.

Вначале кратко рассмотрим влияние животноводства на ландшафт до создания в регионе биокомплекса.

Результаты исследований и обсуждение

При поступлении в водоемы неочищенных сточных вод от животноводческих хозяйств изменяются физические и химические свойства воды, растительный и животный мир водоемов. При очень сильном загрязнении меняется даже внешний вид водоема. В водоемах нарушается равновесие между продуцированием и разрушением (деструкцией) органического вещества. Уровень содержания азота, фосфора и органических веществ в сточных водах так велик, что он может оказывать на водные организмы прямое токсическое воздействие [2].

Поступающие в водоемы сточные воды животноводческих комплексов не только затрагивают, как указано в [2], растительные компоненты гидробиоценозов, но также качественно и количественно изменяют состав донной фауны. Из нее полностью исчезают виды, чувствительные к дефициту кислорода, и, как правило, развиваются менее чувствительные организмы, например, личинки двукрылых насекомых. Постоянные заморы приводят к почти полной гибели рыбы. Избыточное органическое вещество, накапливающееся в донных отложениях, подвергается в анаэробных условиях бактериальному распаду с образованием газообразных продуктов: метана, сероводорода, аммиака.

И, наконец, необходимо отметить отрицательное влияние твёрдых отходов, которые, будучи складированы в отвалах, занимают пахотную землю, а их использование в качестве удобрения не всегда полезно для будущего урожая из-за наличия в отходах химических соединений, снижающих урожай, и гельминтов.

Конверсия твёрдых и жидких отходов животноводства и сжигание получаемого биогаза в когенерационных установках не только предотвращают отрицательное влияние таких отходов на природный ландшафт - водные бассейны и почву, но и позволяют получить высококачественное удобрение, формирующее на полях биогумус.

Влияние животноводства на атмосферу до создания в регионе биокомплекса заключается в следующем.

В зоне размещения животноводческих комплексов атмосферный воздух загрязнен микроорганизмами, аммиаком, пылью и продуктами жизнедеятельности животных, обладающими, большей частью, неприятными запахами [2]. К ним относятся метан, метанол, I-бутанол, изобутанол, формальдегид, меркаптан и др. Свинокомплекс на 100 тыс. голов в год, кроме этого, выбрасывает в атмосферу каждый час 1,5 * 10⁹ микробных тел, 147 кг аммиака, 13,4 кг сероводорода, 24 кг пыли от кормов. Неприятные запахи распространяются на 5-7 км и более от такого комплекса. Характер распространения атмосферных загрязнений, в основном, определяется метеорологическими условиями. Значительные размеры зон «отчуждения» ферм от жилья обусловлены большой мощностью источника загрязнения и отсутствием на современных комплексах систем очистки выбросов в атмосферу и обработки навоза.

Необходимо также отметить следующее. По данным, приведенным в работе [3], метан, поступающий в верхние слои атмосферы, в два десятка раз превышает отрицательную степень воздействия в парниковом эффекте в сравнении с углекислым газом.

Подсчитано [4], что от природных источников в атмосферу ежегодно попадает примерно 145 млн. т метана. Всего, с учётом деятельности человека, в атмосферу ежегодно попадает до 358 млн. т метана. В том числе коровы, овцы и другие жвачные животные, которых разводит человек, выделяют в атмосферу 81 млн. т этого газа за год. Такое количество обусловлено не только жизнедеятельностью животных, но и неорганизованным анаэробным брожением отходов. Организация и эксплуатация биокомплексов в животноводческих хозяйствах предотвратит выбросы в атмосферу, по крайней мере, до 8% метана, который является агрессивным парниковым газом.

Недостатком традиционных не возобновляемых источников энергии является то, что они при сгорании выделяют в атмосферу углекислый газ, способствующий росту парникового эффекта и глобальному потеплению. Если, например, в одной тонне каменного угля содержится 900 кг углерода, то при его сжигании масса выделившегося в атмосферу углекислого газа составит (44/12)*900 = 3300 кг. Для 1 кг каменного угля (антрацита) минимальная теплота сгорания составляет 28,05 МДж/кг [5]. В пересчёте на 1 кг образующегося СО₂ получим:

q_СО2 = 28,05/3,3 = 8,5 МДж/(кг СО₂).

Применим для данного вида топлива обратную величину 1/q_СО2 - выход углекислого газа (парникового газа) на единицу выделяемого тепла при сжигании топлива. Или, другим образом,

1/q_СО2 = о_СО2

- коэффициент экологической опасности при выработке энергии данным видом топлива.

Итак, для антрацита:

о_СО2 = 1/8,5 = 0,118 (кг СО₂)/МДж.

экологический отходы животноводство биогаз

Расчёты показывают, что, например, для природного газа:

о_СО2 = 0,055 (кг СО₂)/МДж,

что говорит о значительно меньшей опасности для окружающей среды тепла, выделяемого при сжигании природного газа, или, другими словами, природный газ при сжигании выделяет экологически более чистое тепло (здесь принято, что в атмосферу не выделяется метан и другие подобного вида органические составляющие природного газа, например, за счёт случайных протечек трубопроводов и пр.).

Известно, что биогаз, в отличие от природного газа, содержит в своём составе уже на стадии получения углекислый газ, массовая доля которого иногда достигает 40% [6]. Это не только снижает теплотворную способность биогаза, но и повышает коэффициент его экологической опасности, доводя до расчётной величины

о_СО2 = 0,114,

что сравнимо с о_СО2 для каменного угля (см. выше).

С другой стороны, нужно отметить, что выделяемый в атмосферу углекислый газ от сгорания биогаза замещает то количество СО₂, которое совсем недавно было использовано в природе при создании органического корма для животных и птиц. То есть в коротком цикле:

-> СО₂ из атмосферы -> корм для животных ->отходы -> биогаз ->СО₂ в атмосферу->

сохраняется баланс по углекислому газу в атмосфере. Тогда следует признать, что производство и сжигание биогаза не увеличивает количество парникового газа, а только лишь поддерживает его на постоянном уровне. Следовательно, для биогаза, если отсутствуют его утечки в атмосферу,

о_СО2 ? 0,

и тогда продукт конверсии отходов животноводства как источник энергии по степени воздействия на окружающую среду сравним с солнечной и ветровой энергией, то есть является экологически чистым топливом.

Кроме этого, использование биогаза в когенерационных установках биокомплексов позволяет получить определённое количество электроэнергии и (или) тепла и заместить этим количеством то, которое пришлось бы получить от сжигания традиционных видов топлива, например, природного газа или угля. Таким образом, происходит предотвращение ущерба за счёт возмещения.

Например, общий предотвращённый ущерб (или - полученный экологический эффект) от работы одной станции мощностью 2,2 МВт при ферме на 3000 голов КРС составит в течение одного года 50 тыс. т CО₂ и твёрдых и жидких отходов. Коэффициент экологической опасности при выработке энергии в таком случае будет отрицательным:

о_{СО2, ТВ., Ж. ОТХ.} = - 0,723 кг/МДж,

или: выработка на биостанции биоэнергетического комплекса 1,0 МДж энергии предотвратит выделение в биосистему Земли 0,723 кг СО₂ и отходов, если для конверсии применяют отходы КРС.

Расчёт выполнен с применением известных усреднённых удельных значений выхода субстрата от КРС и удельного выхода биогаза с 1 кг субстрата [7]. Принято также, что возмещён ущерб от применения природного газа. Очевидно, что при сжигания угля коэффициент о будет ещё меньше. В расчёте не учтена защита от неорганизованных выбросов метана при неуправляемом брожении отходов из-за отсутствия надёжных количественных данных).

Заключение

Возрастающая потребность мировой экономики в энергоресурсах создаёт условия, когда в возрастающем количестве вовлекаются в переработку органические отходы, в том числе отходы животноводства и птицеводства. Не принятые в переработку такие отходы являются загрязнителями почвы, водоёмов и атмосферы. Наоборот, конверсия отходов в биокомплексах не только приводит к выработке эффективного удобрения - биогумуса, но и предотвращает неорганизованные выбросы агрессивного парникового газа - метана.

Анализ сжигания в биокомплексах биогаза с последующим поступлением углекислого газа в атмосферу приводит к выводу об отсутствии экологической опасности и об экологической чистоте биогаза, сравнимой с чистотой, например, солнечной или ветровой энергии.

Использование биогаза в когенерационных установках биокомплексов для производства тепла и электроэнергии, кроме этого, позволяет предотвратить ущерб атмосфере за счёт возмещения эквивалентного количества природного газа или угля, которые могли быть применены для получения такого же количества энергоресурсов.

Таким образом, можно говорить о защитном действии биоэнергетики на природу по следующим причинам:

- утилизация твёрдых и жидких отходов (животноводства и птицеводства);

- предотвращение неорганизованного выделения в атмосферу метана;

- отсутствие избыточного поступления СО₂ в атмосферу при сжигании биогаза;

- предотвращение ущерба атмосфере возмещением эквивалентного количества природного газа или угля при выработке электроэнергии и тепла.

Защита биосферы в районе эксплуатации биоэнергетического комплекса на базе хозяйства по выращиванию 3000 голов КРС составляет 0,723 кг СО₂ и отходов на 1 МДж вырабатываемой энергии.

Список использованных источников

1. Шахов А.В. Организационно-экономические основы реализации биоэнергетического потенциала аграрного производства // Автореф. докт. дисс. М. 2011.

2. Ворошилов Ю.И. и др. Современная технология обработки отходов животноводства и охрана природы. М.: Высш. Школа. 1984. 88 с.

3. Парниковый эффект [электронный ресурс]. http://greenhouseeffe.at.ua/index/novosti/.

4. Роль метана в парниковом эффекте [электронный ресурс]. http://himi4ok.ucoz.ru.

5. Сравнительная таблица теплотворности некоторых видов топлива [электронный ресурс]. http://www.ecoles-nn.ru/tablitsa-teplotvornosti/.

6. Биомасса как источник энергии: Пер. с англ. // Под ред. Соуфера С., Заборски О. М.: Мир. 1985.

7. Дубровский В., Виестур У. Метановое сбраживание сельскохозяйственных отходов. Рига, «Знание». 1988.

Размещено на Allbest.ru