Доцільність запровадження технологій генерації біогазу в паливно-енергетичний комплекс України

Размещено на http://www.allbest.ru/

Доцільність запровадження технологій генерації біогазу в паливно-енергетичний комплекс України

Корінний С.О., к.е.н., викладач, Хохлов Б.Ю.

Запорізький національний університет

Україна, 69600, м. Запоріжжя, вул. Жуковського, 66

Анотація

У статті аналізується доцільність використання біогазових технологій в паливно-енергетичному комплексі України з метою генерації біогазу та можливістю подальшого утворення з нього електроенергії. Враховано сучасний економічний стан вітчизняної енергетики та перспективи її подальшого розвитку. Доведено необхідність глибинних трансформацій паливно-енергетичного комплексу України, кінцевою метою яких має стати досягнення енергетикою держави високого рівня енергетичної незалежності, самозабезпеченості паливно-енергетичними ресурсами та диверсифікованості джерел постачання енергоносіїв. Визначено та проаналізовано переваги й недоліки, позитивні та негативні наслідки запровадження біогазових технологій генерації газу у паливно-енергетичний комплекс України. Доведено, що запровадження біогазових технологій у паливно-енергетичний комплекс може кардинально вплинути на якість і швидкість розвитку економіки та енергетики України, охоплюючи не лише конкретну галузь, і ставши каталізатором поєднання галузей не лише реального сектора економіки, але й фінансово-кредитного, включаючи також залучення науково-дослідних і дослідно-конструкторських організацій. У векторі позитивізації також розглядається форсований розвиток і зміцнення агропромислових угідь, шляхом розвитку і запровадження в обіг портативних біогазових установок. Враховуються також негативні наслідки впровадження біогазових технологій для агропромислових структур, а також їх негативний вплив на навколишнє середовище. Представлена модель впровадження біогазових установок у сучасний тваринницький сільськогосподарський комплекс. Модель розрахована на впровадження технологій з урахуванням нинішніх економічних реалій і сучасного стану сільськогосподарського комплексу України. Доведено доцільність запровадження та експлуатування біогазових систем в структурах аграрної промисловості з подальшим залученням до наявного паливно-енергетичного комплексу.

Zaporizhzhya National University Ukraine, 69600, Zaporizhzhya, Zhukovsky str., 66

The article examines the feasibility of using biogas technology in the fuel and energy complex of Ukraine with the goal to generate biogas and the possibility of further electricity generation on its basis. Current economic situation of domestic fuel and energy complex along with the prospects of its further development are analyzed. The necessity of deep transformation of the energy sector of Ukraine with the ultimate goal to achieve a high level of energy independence by the Ukrainian energy sector, self-sufficiency with fuel and energy resources, including high level of diversification of energy sources are proved. Advantages and disadvantages, positive and negative consequences of biogas technology of generation of gas in the fuel and energy complex of Ukraine are defined and analyzed. It is proved that introduction of biogas technologies in the fuel and energy complex can dramatically affect the quality and speed of development of economy and energy of Ukraine, including not only the particular industry which becomes the catalyst for a combination of others. Thus, the real economy sector will interface financial sector including involvement of scientific, research and development organizations. Accelerated development and strengthening of agricultural business, through development and introduction into exploitation of portable biogas plants are examined in positive key. Negative consequences of the introduction of biogas technologies in agricultural business and their negative impact on the environment are characterized. The model implementation of biogas plants in modern livestock farm complex is constructed and based. This model is designed for introduction of biogas technologies with taking into account the current economic realities and the current state of the agricultural sector of Ukraine. The expediency of introducing biogas and its use in the structures of agricultural industry with further involvement in the existing energy fuel and energy complex of Ukraine is proved.

Key words: biogas, energy sector, biogas technology, ecology, environment, agricultural complex.

біогаз агропромисловий відновлюваний тваринницький

Постановка проблеми

Стаття присвячена визначенню та оцінці потенціалу одного з найперспективніших видів відновлюваних джерел енергії (ВДЕ) в Україні -біогазу. Сьогодні в Україні гостро стоїть проблема задоволення попиту на природний газ, адже вітчизняний паливно-енергетичний комплекс характеризується низьким рівнем забезпеченості власними покладами цього енергоресурсу, що породжує його залежність від імпорту. Запровадження біогазових технологій є одним з об'єктивних шляхів вирішення частини проблем, пов'язаних із забрудненням навколишнього середовища України.

Також слід акцентувати увагу на тому факті, що біогазові технології спрямовані не лише на забезпечення паливно-енергетичного комплексу газом, але, передусім, на його генерацію, а не на бездумне споживання наявних покладів.

Крім того, використання біогазових технологій на сільськогосподарських угіддях і тваринницьких комплексах дозволить оптимізувати виробничу та економічну діяльність аграрної промисловості України.

Запровадження вищезазначеної технології на рівні країни дозволить кардинально змінити вектор розвитку паливно-енергетичного комплексу держави з витратного на сталий, що своєю чергою стане основою енергетичної незалежності.

Україна, маючи потужну сільськогосподарську базу, має значний потенціал виробництва та використання біогазу. Більше того, біогазові технології можуть бути використані не тільки в агропромисловому комплексі, а й в очисних спорудах, каналізації, системах водопостачання та водовідведення тощо.

Основними об'єктами цього дослідження є підприємства тваринництва - сільськогосподарські виробники, які мають тваринницькі комплекси великої рогатої худоби. Відходи виробництва розглядаються як базовий біоресурс для отримання біогазу.

Очисні споруди - комплекс інженерних споруд населеного пункту, призначений для очищення стічних вод від забруднень. Відходи очисних споруд також є ресурсом для отримання біогазу.

Пивоварні заводи і підприємства харчової промисловості - підприємства зі значними обсягами біовідходів, які є сировиною для отримання біогазу.

Полігони твердих побутових відходів - місця накопичення предметів або товарів життєдіяльності людини, що втратили свої споживчі властивості. Ці полігони розглядаються як місця розміщення сировини для отримання звалищного газу (за рахунок збору газу, отриманого в результаті природного біохімічного розкладання органічних відходів), а також для отримання біогазу, його вторинної переробки та використання [1, с. 69].

Аналіз останніх досліджень і публікацій.

Проблеми виробництва і споживання біогазу досліджуються та висвітлюються багатьма зарубіжними вченими. Так, зарубіжні вчені Ch. A. S. Hall, K. A. Klitgaard, V. Juturu, JC. Wu, Kratky, T. Jirout [1, 2, 3] та ін. досліджують виключно біологічні аспекти біогазового виробництва. McConnell C., R. Campbell, L. Brue Stanley, V.N. Nkemka, B. Gilroyed, J. Yanke та ін. [4, 5] розглядають лише економічний ефект від диверсифікації джерел

енергопостачання за рахунок запровадження біогазових технологій. Westerholm M., E. Grant William, С. Мельник [6, 7, 8] та інші дослідники приділяють увагу переважно технологічним аспектам та існуючому досвіду із запровадження біогазових технологій. Саме тому необхідним є обґрунтування економіко-управлінських аспектів біогазового виробництва саме в Україні, в сучасних реаліях.

Формулювання цілей.

Виклад основного матеріалу дослідження

Усі провідні країни, що займаються генерацією біогазу в промислових масштабах, йдуть шляхом державної підтримки виробників біогазу [4, с. 874]. Прикладом є: Німеччина, США, Китай. Форма такої підтримки реалізована в програмі «зелений» тариф - тобто в покупці біогазу за завищеними цінами, порівняно з традиційним природним газом.

Цей важливий механізм державної підтримки стимулював виробників на початкових етапах, але пізніше призвів до стагнації галузі з технічної точки зору, оскільки виробники біогазового обладнання не особливо піклувалися про якість продукції і наявність сучасних та інноваційних технологій. Але часи змінюються. Криза світового ринку біогазу стане майже незворотною, як тільки заходи державної підтримки будуть згорнуті. Про це вже заявили декілька європейських країн, що призвело до появи безлічі судових позивів інвесторів.

Саме тому найближчим часом очікується бум пропозицій з продажу застарілих біогазових технологій в Україні, де ця галузь розвинена слабо, а державні дотації будуть величезні. Це дуже небезпечна тенденція. Ринок біогазу в Україні може залишитися за українськими компаніями, але ці компанії повинні підтримати наукові розробки з метою отримання явних успіхів в біогазовій технології. І це, в першу чергу, пов'язане зі значним прискоренням біогазового процесу.

Біогаз складається на 50-85% з метану, 15-50% - вуглекислого газу, має незначні домішки водню та сірководню. Після очищення біогазу від вуглекислого газу отримується біометан, який є повним аналогом природного газу, відмінність полягає тільки в джерелі походження [5, с. 82].

Оскільки тільки в метані зосереджено енергетичний потенціал біогазу, доцільно для опису якості газу, виходу газу та кількості газу все відносити до метану, відповідно до його нормованих показників. Обсяг газів залежить від температури і тиску. Високі температури призводять до розширення газу і до зменшуваного разом з об'ємом рівня калорійності і навпаки. Крім того, при зростанні вологості калорійність газу також знижується. Щоб виходи газу можна було порівняти, необхідно їх співвідносити з нормальним станом (температура 0°C, атмосферний тиск 1,01325 bar, відносна вологість газу 0%). Загалом, дані про виробництво газу виражають у літрах або кубічних метрах (м³) метану на 1 кг органічного сухої речовини, це набагато точніше і красномовніше, ніж дані в м3 біогазу в м3 свіжого субстрату [6, с. 134].

Сировиною для забезпечення процесу отримання біогазу є: гній, пташиний послід, зернова і мелясна післяспиртова барда, пивна дробина, буряковий жом, фекальні опади, відходи рибного і забійного цехів (кров, жир, кишки, канига), трава, побутові відходи, відходи молокозаводів - солона і солодка молочна сироватка, відходи виробництва біодизеля - технічний гліцерин від виробництва біодизеля з ріпака, відходи від виробництва соків - жом фруктовий, ягідний, овочевий, виноградна вижимка, водорості, відходи виробництва крохмалю і патоки - мезга і сироп, відходи переробки картоплі, виробництва чіпсів - очищення, шкурки, гнилі бульби, кавова пульпа.

Крім відходів, біогаз можна отримувати зі спеціально вирощених енергетичних культур, наприклад, з силосної кукурудзи або водоростей. Вихід газу може досягати до 300 м³ з 1 тони сировини.

Вихід біогазу залежить від вмісту сухої речовини і виду використовуваного сировини. Із тонни продукту життєдіяльності великої рогатої худоби виходить 50-65 м3 біогазу з вмістом метану 60%, 150-500 м3 біогазу з різних видів рослин з вмістом метану до 70%. Максимальну кількість біогазу - це 1300 м3 з вмістом метану до 87% - можна отримати з жиру [6, с. 217].

Розрізняють теоретичний (фізично можливий) і технічно-реалізовуваний вихід газу. У 1950-70-х роках XX ст. технічно можливий вихід газу становив усього 20-30% від теоретичного. Сьогодні застосування ензимів, бустерів для штучної деградації сировини (наприклад, ультразвукових або рідинних кавітаторів) та інших пристосувань дозволяє збільшувати вихід біогазу на найпростішій установці з 60% до 95% [6, с. 244].

У біогазових розрахунках використовується поняття сухої речовини або сухого залишку. Вода, що міститься в біомасі, не є джерелом утворення газу.

На практиці з 1 кг сухої речовини отримують від 300 до 500 л біогазу. Щоб порахувати вихід біогазу з конкретної сировини, необхідно провести лабораторні випробування або подивитися довідкові дані і визначити вміст жирів, білків і вуглеводів. При визначенні останніх важливо дізнатися процентний вміст речовин, що розкладаються швидко (фруктоза, цукор, сахароза, крохмаль) та важко (наприклад, целюлоза, геміцелюлоза, лігнін). Визначивши вміст речовин, можна обчислити вихід газу для кожної речовини окремо і потім додати [7, с. 113].

Одним з перспективних джерел енергії є звалищний газ, що утворюється на звалищах в результаті розкладання органічної частини твердих побутових відходів в анаеробних умовах, що виникають невдовзі після їхнього санітарного поховання. Тільки в містах утворюється 400-450 млн т твердих побутових відходів на рік. Вихід газу з теплотою згоряння 17-20 МДж/м³ становить 100 м³/т твердих побутових відходів протягом 20 років зі швидкістю 5 м³/т у рік. Потенціал звалищного газу в країнах Європейського Союзу наближається до 9 млрд м³ на рік, у США - 13 млрд м³ на рік, в Україні - близько 1 млрд м³ на рік [7, с. 145].

Виробництво біогазу дозволяє запобігти викидам метану в атмосферу. Метан впливає на парниковий ефект у 21 раз сильніше, ніж СО2, і залишається в атмосфері на 12 років. Використання метану - найкращий короткостроковий спосіб запобігання глобальному потеплінню [8, с. 134].

Генерація біогазу з подальшим його перетворенням на електроенергію передбачає створення відповідної газогенеруючої системи (рис. 1).

Рис. 1. Модель інтеграції системи генерації біогазу у тваринницький комплекс агропромислової структури

Через наявність значної кількості опціональних комплектувальних, представлених на ринку, важко розрахувати вартість стандартної системи генерації біогазу. Так, базова конфігурація включає в себе реактор із системою електричного підігріву і перемішування, блок автоматики, газгольдер, газову систему зі зворотним клапаном. Вартість з урахуванням монтажу складе: для установки 5 м³ - 3000 €, 8 м³ - 4500 €, 10 м³ - 5000 €. До цих цін додаються вартість доставки і вартість додаткових опцій. Усі ціни підлягають обговоренню.

Для розміщення установки потрібна рівна площадка 15-30 м² і більше, якщо Ви збираєтеся використовувати багатореакторну установку. Для установки реактора потрібна підстилка з дошок. Для приготування субстрату щодоби потрібна вода в розрахунку близько 24 л на 1 м³ об'єму реактора, бажано з температурою близько 25 °С, а в холодну пору року вищою. Для функціонування автоматики необхідним є електричний струм з напругою 220 В та максимальною силою струму 5 А. Для роботи електричного обігріву додається ще струм для обігрівачів з розрахунку 0,6 кВт на 1 м³ об'єму реактора. Для збору біодобрив необхідна лагуна (яма з бетонованими стінками). Можна застосувати і яму зі стінками, укріпленими дошками, гілками або іншим способом, але при цьому частина біодобрив просочиться в ґрунт. Шкоди від цього не буде, але залишиться менше біодобрив для використання. При цьому найголовнішою умовою для успішного функціонування малої біогазової установки є регулярна щоденна наявність відповідної сировини в достатній кількості. Біогазова установка будується не для отримання біогазу і біодобрив, а для переробки наявної непридатної органічної сировини. Сировина повинна бути в такому вигляді, щоб приготування субстрату з неї не вимагало додаткових енергоємних операцій і займало не більше півгодини на добу.

Висновки

Сьогодні в Україні введено в експлуатацію 10 біогазових установок загальною потужністю близько 7 МВт. Ставка «зеленого тарифу» для біогазу станом на початок 2016 року не була затверджена, але сьогодні на розгляданні знаходиться декілька законопроектів, які все ж передбачають «зелений тариф» для електроенергії, виробленої з біогазу в розмірі 1454 євро / кВт-год. За позитивного результату, до 2020 року можна буде досягти виробництва на рівні 8 млрд м³ біогазу (що є еквівалентним 350 МВт електроенергії або 500 МВт теплової потужності).

Подібні установки з видобутку біогазу в Україні дуже перспективні і як очисні споруди, оскільки дають можливість переробляти відходи і запобігають скупчення гниючих відвалів поблизу великих виробництв, природне бродіння яких призводить до виділення газів і виникнення пожеж. Переробка відходів супроводжується викидом енергії, яку можна використовувати для побутового газопостачання і перетворення в електричну або теплову енергію. Проекти з виробництва біогазу та його подальшого використання як джерела енергії здатні не тільки підвищити рентабельність агропромислових структур, дозволяючи економити на утилізації відходів і заробляючи на виробництві надлишків тепла і електроенергії, а й перетворювати донедавна розрізнені виробничі процеси і енергозабезпечення в єдиний технологічний цикл.

Література

1. Hall Ch. A. S. Energy and the Wealth of Nations: Understanding the Biophysical Economy / Ch. A. S. Hall, K. A. Klitgaard // Springer Science+Business Media. -- 2012. -- Pp. 358--359.

2. Juturu V. Microbial cellulases: engineering, production and applications / V. Juturu, JC. Wu // Renew Sustain Energy Rev. -- 2014. -- Pp. 188--203.

3. Kratky L. Biomass Size Reduction Machines for Enhancing Biogas Production / L. Kratky, T. Jirout // Chemical Engineering & Technology. -- 2011. -- Pp. 391--399.

4. McConnell C. R. Economics 19E / Campbell R. McConnell, L. Brue Stanley. -- New-York : McGraw-Hill Companies, Inc., 2012. -- 1193 p.

5. Bioaugmentation with an anaerobic fungus in a twostage process for biohydrogen and biogas production using corn silage and cattail / V. N. Nkemka, B. Gilroyed, J. Yanke, R. Gruninger, D. Vedres, T. McAllister & X. Hao // Bioresource Technology. -- 2015. -- Pp. 79--88.

6. Westerholm M. Biogas production through the syntrophic acetateoxidising pathway - characterisation and detection of syntrophic acetateoxidising bacteria / Martin Westerholm. -- Uppsala : Swedish University of Agricultural Sciences, 2014. -- 596 p.

7. William E. Grant. Ecology & Natural Resources Management. System analysis and simulation / William E. Grant. -- New York : John Wiley and Sons, 2012. -- 381 p.

8. Мельник С. В. Економіка природокористування / С. В. Мельник. -- Одеса : Наука і техніка, 2012. -- 224 с.

Размещено на Allbest.ru