Перспектива использования биогаза

КПД газовых котлов обычно составляет 90-95%. При работе газового котла на биогазе КПД может получиться меньшим из-за неточных настроек газо-воздушной смеси.

Еще одним способом получения тепла является когенерация. Когенераторы - устройства для получения из биогаза (и не только) одновременно нескольких видов энергии, обычно электрической и тепловой. Бывают поршневые и газотурбинные когенераторы. В первом случае работает классический двигатель внутреннего сгорания с искровым зажиганием, топливом для которого служит биогаз. Иногда это может быть дизельный двигатель, работающий на смеси солярки и биогаза. Тепловая энергия снимается с такого когенератора в виде горячей воды температурой около 750C, циркулирующей через теплообменник когенератора и нагревающейся там. А теплообменник, в свою очередь, может греться теплоносителем, охлаждающим рубашку двигателя, маслом картера и выхлопными газами. Тепловой КПД при этом может достигать 35-40%. Это неплохо, учитывая еще электрический КПД 30-33% [40].

Во втором случае работает газовая турбина на биогазе. Тепловая энергия снимается тоже в виде горячей воды, циркулирующей через теплообменник.

Таким образом, утилизация тепла, выработанного из биогаза, зависит от вида нагретого рабочего тела. Горячую воду направляют циркулировать по различным трубам и батареям отопления.

Горячими продуктами сгорания биогаза непосредственно греют емкости с водой, пищей, поверхности нагревателей и т.п. Попросту говоря, применение биогаза для получения тепловой энергии ничем кардинально не отличается от применения для этих же целей природного газа или сжиженного пропан-бутана.

Получение электроэнергии при использовании когенераторов в БГУ.

Самым широко распространенным способом получения электрической энергии из биогаза является использование газопоршневых генераторов на базе двигателей внутреннего сгорания. В данном случае топливом для такого двигателя служит биогаз. С выходным валом такого двигателя соединен электрический генератор. Чаще всего это генератор переменного тока. В большинстве случаев, а для генераторов мощностей от 10 кВт и выше - поголовно, генератор этот вырабатывает трехфазный переменный ток той частоты и напряжения, которые приняты в качестве стандартных в стране применения этого генератора. Так, например, для европейских стран и стран бывшего СССР, это 50 Гц 400 В. T.к. обычно такой генератор подсоединяют к общей электрической сети, соответственно, напряжение на выходе генератора должно быть немного больше (в холостом режиме), чем напряжение в этой сети, чтобы ток пошел из генератора в сеть, а не обратно.

Частота вращения электрогенератора 50 Гц обеспечивается электронной системой управления двигателя внутреннего сгорания, регулирующей подачу топлива в зависимости от скорости вращения выходного вала. Эта система также может синхронизировать частоту вращения вала с частотой в общественной сети, к которой подключен генератоp [41].

Вторым способом получения электрической энергии из биогаза является использование газотурбинного двигателя. Частота вращения вала турбины в газотурбинном двигателе на порядки выше, чем частота вращения вала поршневого двигателя внутреннего сгорания. Из-за большого момента инерции турбины невозможно резко изменять частоту ее вращения. Поэтому обычно турбина вращает генератор постоянного тока. Постоянный ток проходит через электронный инвертор и на выходе формируется ток заданного напряжения, частоты и фазности. Точно такие же инверторы ставятся для получения электроэнергии от ветряков и солнечных панелей. И точно так же, как и в этих случаях, в газотурбинных генераторах применяются еще и аккумуляторные батареи, которые демпфируют неравномерность потребления электрического тока переменной нагрузкой у потребителя. Поэтому удельная стоимость одного киловатта электрической мощности газопоршневого генератора существенно ниже, чем газотурбинного. Но при этом стоимость технического обслуживания газопоршневых генераторов существенно выше, а срок службы до капитального ремонта - существенно ниже.

Газопоршневые двигатели чувствительны к примесям, содержащимся в биогаза. Остатки таких агрессивных газов, как аммиак или сероводород, вызывают коррозию металлических поверхностей цилиндра и поршня, выхлопных труб, окисляют масло, циркулирующее в системе смазки, из-за чего оно теряет свои смазывающие свойства. От содержания углекислого газа в биогазе зависят детонационные свойства горючей смеси воздуха с биогазом (для бензинов характеризуется октановым числом), соответственно, усложняется система регулировки угла опережения зажигания, нарушается оптимальное соотношение степени сжатия и объема камеры сгорания и т.д. И, хотя режим работы на газообразном топливе является более щадящим для поршневых двигателей внутреннего сгорания, чем режим работы на жидком топливе, вышеописанные факторы заметно ограничивают моторесурс газопоршневых генераторов, работающих на биогазе. Для промышленных устройств моторесурс обычно не превышает 5 лет непрерывной работы, предусматривающей лишь остановки для проведения ТО и регламентных работ (замена масла, свечей, прокладок и т.п.). Маломощные генераторы имеют моторесурс не более 1 года, и обычно не рассчитаны на непрерывную работу.

Газотурбинные генераторы выпускаются только большой мощности. Преимуществом их является нечувствительность к примесям в биогазе, минимальная потребность в ТО.

Из одного кубометра биогаза можно получить 1,8-2,3 кВт*ч электроэнергии, в зависимости от содержания метана в биогазе и типа примененного генератора [42].

Получение биогумуса при производстве биогаза. В Казахстане, как и во многих других развивающихся странах, существует прямая связь между проблемой удобрений и деградацией земель, а также проблемой вырубки лесов из-за высокого спроса на дрова. В сельской местности часто сжигают высушенный навоз (кизяк) и органические отходы для приготовления пищи и обогрева жилых помещений.

Такое использование органических отходов является причиной значительных потерь растительных питательных веществ, в которых так нуждается сельское хозяйство для поддержки плодородия почв. Применение биогазовых технологий может обеспечит максимальное использование доступных сельскому населению ресурсов: остающийся после выработки биогаза биошлам, который представляет собой удобрение, повышающее общее качество земель и увеличивающее урожайность.

Особенности биоудобрений. Биоудобрение содержит ряд органических веществ, которые вносят вклад в увеличение проницаемости и гигроскопичности почвы, в то же время предотвращая эрозию и улучшая общие почвенные условия. Органические вещества также являются базой для развития микроорганизмов, которые переводят питательные вещества в форму, которая легко может быть усвоена растениями.

Практика показывает, что урожайность растений при применении биоудобрений значительно повышается. В процессе работы биогазовой установки выделяется не только биогаз. Точнее сказать, не все поступающее в реактор биогазовой установки сырье превращается в биогаз. Во-первых, разложению подвергается только органическое сухое вещество. Такие составляющие субстрата, как вода и неорганические включения (песок, зола и пр.) выходят из реактора в неизменном виде. В биогаз, воду и минеральные соли превращается обычно 40-60% органического вещества. Глубина разложения редко превышает 80%. Соотношение органического сухого вещества к общей массе субстрата обычно составляет не более 10%, поэтому при добавлении свежего субстрата в реактор биогазовой установки из него выливается почти столько же шлама (переброженного субстрата), сколько залилось субстрата. Этот шлам (метановый эффлюент, метановая бражка) представляет собой прекрасное удобрение чисто органического происхождения. В процессе брожения субстрата в реакторе все потенциально вредные для окружающей среды факторы, присутствующие в исходном сырье, исчезают.

Неприятный запах в навозах и подобном сырье обуславливается ароматическими углеводородами и аммиаком. В процессе брожения ароматические углеводороды разлагаются, азот из аммонийной формы частично переходит в нитратную форму, уменьшая концентрацию аммиака. Поэтому шлам обычно имеет слабый запах печеного хлеба.

Зерна растений в процессе брожения обычно частично или полностью разлагаются, как минимум - разлагается их оболочка, поэтому они теряют всхожесть. То есть, шлам биогазовой установки уже не может быть источником сорняков после внесения в почву.

Яйца гельминтов (глистов) тоже разлагаются в процессе брожения в реакторе. Поэтому выходной шлам обеззаражен.

Практически все вредные для живых существ на Земле бактерии - аэробные. Для их размножения и существования нужен кислород. Внутри реактора созданы анаэробные условия. Поэтому все другие бактерии гибнут и служат пищей для анаэробных бактерий.

Выходной шлам биогазовой установки состоит из воды, неорганических нерастворимых веществ, неорганических растворимых солей, среди которых преобладают соли, содержащие азот, фосфор и калий, частично разложенных органических соединений, среди которых есть такие полезные вещества, как гуминовые кислоты, фульвокислоты, различные витамины и бактерий, которые обеспечивали процесс анаэробного брожения. Все эти составляющие, за исключением нерастворимых неорганических веществ, при внесении в почву обеспечивают питание для растений, ускоряют их рост, улучшают их сопротивляемость болезням. Факторов положительного воздействия таких органических удобрений, каким является шлам биогазовой установки, на рост растений так много, что их трудно описать полностью, а воздействие оказывается в комплексе. Каждый отдельный фактор не дал бы должного эффекта без других.

Растворимые неорганические соли - это фактически те же минеральные удобрения, только полученные природным органическим путем, а не синтезированные искусственно. Но эти соли физически связаны остатками органических веществ, имеющих коллоидную структуру (кисель), поэтому они не вымываются из почвы первым же дождем.

Гуминовые и фульвокислоты в сочетании с остатками органических веществ превращают (дают право называть) почву, в которую они внесены, гумусом.

Витамины действуют на рост растений, как биологически активные добавки, то есть, растения существенно быстрее и полнее усваивают минеральные растворимые соли, содержащие азот, фосфор, калий и другие, нужные для роста растений элементы [43].

Бактерии, участвовавшие в процессе анаэробного брожения внутри реактора биогазовой установки, будучи внесенными в почву, продолжают работать, хотя и менее интенсивно, чем в реакторе. В глубине почвы для них обеспечиваются более-менее анаэробные условия. Это бактерии, во-первых, продолжают разлагать другие болезнетворные бактерии, а во-вторых, разлагают имеющуюся в почве органику, вырабатывая питательные минеральные соли для растений. Этот процесс называют азотфиксацией. Это означает, что бактерии захватывают атомы азота (и не только) из окружающей среды, где они находились в виде, непригодном для усвоения растениями, и вставляют в минеральные соединения солей азота (и другие минеральные соли). То есть, внося эти бактерии в почву, мы вносим «кормильцев», которые преобразуют несъедобные для растений элементы почвы и воздуха в съедобные, тем самым регулярно питая растения.

Из-за таких свойств оздоровления, создания и поддержания почвенного слоя шлам биогазовой установки часто называют биогумусом. Особенно часто это название применяют для отсепарированного шлама, то есть отжатого до влажности 75%. Такой отжатый шлам по внешнему виду уже сам по себе напоминает слой плодородной почвы.

Нормативы внесения шлама в почву (удельное количество на единицу посевной площади) существенно меньше, чем исходного сырья (если исходное сырье вообще могло быть применено в качестве биоудобрения). Если выразить нормативы внесения шлама в количествах азота, фосфора и калия, то они также будут ниже, чем подобные нормативы для внесения искусственно синтезированных минеральных удобрений.

Твердая фракция, или биогумус, вносится методом разбрасывания, точно так же, как вносится перепревший навоз.

На фракции шлам разделяют по соображениям логистики. Если биогумус предназначен на продажу, то обычно покупатели могут находиться на весьма дальних расстояниях от биогазовой установки. Возить воду на такие расстояния - слишком дорого. Поэтому ее отжимают, иногда даже подсушивают полученный биогумус до влажности 40-60%, пакуют в мешки и везут к покупателю, магазину или удаленному месту применения.

По элементный химический состав биогумуса почти полностью соответствует такому же составу исходного сырья, за исключением удаленных с биогазом водорода, углерода и кислорода. Поэтому питательные свойства конкретного биогумуса зависят от типа сырья, которое закладывалось в биогазовую установку. Практика показывает, что самыми замечательными свойствами обладает биогумус из птичьего помета, типа куриного. Исходный помет птиц содержит повышенное удельное количество азота. Из-за этого чистый помет с трудом поддается анаэробному брожению в биогазовой установке, так как субстрат отравляется большим количеством аммиака. Только недавно в России разработан и запатентован технический процесс переработки чистого куриного помета. Биогумус, полученный из такого сырья, показывает самые замечательные питательные и почвоформирующие свойства.

Питательные вещества. Питательные свойства биоудобрения определяются количеством органических веществ и химических элементов, которые оно содержит. Все питательные для растений вещества, такие как азот, фосфор, калий и магний, а также микроэлементы и витамины, необходимые для роста растений, сохраняются в биоудобрении. Соотношение углерода и азота (около 1:15) имеет благоприятный эффект на качество почв. В таблице 7 приводится примерное содержание питательных веществ в биоудобрении [44].

Таблица 7 - Содержание элементов в биоудобрении (в % на сырое вещество)

Сырье	Азот N	Фосфат P2O5	Калий K2O	Кальций CaO	Магний MgO	Na2O
Навоз	0,45	0,23	0,50	0,40	0,11	0,17
Куриный помет	1,5	1,4	0,5	1,1	-	-

Фосфат и калий. Содержание фосфата (форма фосфора, напрямую усваиваемая растениями) не изменяется в процессе ферментации сырья. В этой форме растениями может быть усвоено около 50% общего содержания фосфора. Ферментация не влияет на содержание калия, от 75 до 100% которого может быть усвоено растениями.

Азот. В отличие от фосфата и калия, некоторое количество азота изменяется в процессе ферментации. Около 75% азота, содержащегося в свежем навозе, становится частью органических макромолекул, остальные 25% представлены в минеральной форме. После переработки в биогазовой установке около 50 % азота в биоудобрении находятся в органической форме, и 50% - в минеральной. Минеральный азот может быть напрямую усвоен растениями, а органический азот должен сначала минерализоваться с помощью почвенных микроорганизмов.

1.5.2 Хранение продуктов, произведенных биогазовой установкой

Вопросы по возможностям и методам хранения продуктов, производящихся биогазовой установкой, возникают практически у каждого потенциального заказчика такой установки. Первый вопрос - возможность накопления и длительного хранения биогаза. Вопрос этот вызван сезонностью потребления тепловой энергии в наших широтах. Хранить биогаз в исходном виде в больших объемах невозможно из-за дороговизны такого решения. Проблема состоит в том, что биогаз невозможно сжать до значительного давления без предварительной очистки до биометана. Углекислый газ, содержащийся в биогазе, не дает возможности сжать его до 200 атм. А при сжатии всего лишь до нескольких атмосфер объем, занимаемый биогазом, уменьшается незначительно. Очистка биогаза от углекислого газа - очень непростой процесс. Химические методы очистки неприемлемы из-за потребности в большом количестве реагентов и большом выходе отходов реакции. А метод растворения углекислого газа в воде, применяемый промышленно, требует достаточно сложного и дорогого оборудования. Такое оборудование выпускается серийно, но для больших суточных объемов. Поэтому очистка биогаза и сжатие биометана - процедура, доступная только владельцам крупных биогазовых установок. Но и в этом случае биометан обычно не хранят длительное время, а регулярно используют для заправки автомобильного транспорта, либо отправляют в общую газовую сеть. Общая газовая сеть в данном случае и служит накопителем, куда можно загонять газ летом и отбирать зимой. И это получается экономически более эффективно, чем строить собственные газовые хранилища.

Производные от сжигания биогаза - тепловая и электрическая энергия. Тепловую энергию вообще невозможно накопить и хранить длительное время, поэтому этот вопрос можно вообще не рассматривать [45]. Электрическую энергию накапливать можно в аккумуляторах. Но если мы вспомним структуру ценообразования современных устройств альтернативной энергетики, то увидим, что аккумуляторы там - одна из самых дорогих частей. А большие биогазовые установки способны производить действительно большие количества электроэнергии. Для них применение аккумуляторов невозможно. Для малых биогазовых установок аккумуляторы могут буферизовать энергию лишь на несколько суток. Обычно электроэнергия, вырабатываемая из биогаза, произведенного биогазовой установкой, превышает потребности самой установки в электроэнергии в 3-10 раз. Если рядом нет другого объекта для применения выработанной электроэнергии, то имеет смысл продавать ее в общие электросети. В этом случае эти сети и будут аккумулятором для хранения энергии. Продажа такая возможна не всегда, не всюду, и зависит от законодательства страны и других бюрократических факторов. Очень часто электроэнергия выкупается государством по «зеленым» тарифам, которые завышены по сравнению с обычными коммерческими тарифами. В этом случае продажа электроэнергии становится основной статьей дохода для биогазовой установки.

Таким образом, ясно, что энергетические продукты биогазовой установки хранить длительное время самостоятельно невозможно и невыгодно, но можно использовать общественные (государственные) средства для хранения таких видов энергии.

Другой вопрос с вырабатываемым шламом. Его хранение намного проще. Условия для его хранения достаточно простые, и зависят, в первую очередь, от экологического законодательства. Фактически, шлам биогазовой установки не представляет вреда для окружающей среды, но юридически обычно контакты шлама и почвы ограничены в определенных рамках. То есть, в некоторых странах строго регламентируется количество минеральных питательных солей, которые можно вносить в землю за один сезон. По этим же критериям приходится пересчитывать максимальное количество вносимого биогумуса. И по этой же причине нельзя складировать шлам таким образом, чтобы он свободно просачивался в почву. То есть, для хранения шлама нужны непроницаемые лагуны, не допускающий проникновения шлама в почву [46].

Применение при открытом земледелии этих продуктов - сезонно, всего два раза за период вегетации. Поэтому сроки хранения превышают полгода. 120 суточных порций шлама примерно равны 120 суточным порциям субстрата. Объем реактора биогазовой установки обычно вмещает от 16 суточных порций субстрата плюс 20% газового буфера, то есть 20 суточных порций субстрата. Значит размер лагуны для хранения шлама должен в шесть (120/20) и более раз превышать объем реактора (ов) биогазовой установки в случае, если шлам не сепарируется и не отправляется ежедневно в магазины или потребителям.

Для фильтрата этот объем будет меньше и составит более 4 объемов реактора (ов) биогазовой установки.

Строить такие большие лагуны не всегда есть возможность, поэтому обычно стараются организовать регулярный сбыт жидкого шлама или фильтрата. Его можно разливать в мелкую тару и отправлять в сети магазинов, торгующих удобрениями для садоводов, теплиц и т.п. Также иногда применяют очистку фильтрата до допустимых норм и отправляют в канализацию. Но этот метод экономически расточителен, так как фильтрат тоже является ценнейшим удобрением.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

2.1 Объекты исследования

Для исследования были использованы данные по биогазу и биогазовым установкам, с целью возможностью массового внедрения БГУ в частном секторе страны.

2.2 Методики исследования

2.2.1 Статистические методы анализа [47]

- сбор и обработка данных;

- анализ данных, с последующим построением графиков.

2.2.2 Метод расчета биогаза по различным сырьевым продуктам [48]

Выход биогаза обычно подсчитывается в литрах или кубических метрах на килограмм сухого вещества, содержащегося в навозе. В таблице показаны значения выхода биогаза на килограмм сухого вещества для разных видов сырья после 10-20 дней ферментации при мезофильной температуре.

Для определения выхода количества биогаза из свежего сырья с помощью таблицы сначала определяется влажность свежего сырья.

Таблица 8 - Выход биогаза и содержание в нем метана при использовании разных типов сырья

Тип сырья	Выход газа (м3 на кг сухого вещества)	Содержание метана (%)
1 Навоз животных
Навоз КРС	0,25-0,340	65
свиной навоз	0,340-0,580	65-70
птичий навоз	0,310-0,620	60
конский навоз	0,200-0,300	56-60
овечий навоз	0,300-0,620	70

Если влажность используемого в качестве сырья навоза КРС равна 85%, то 1 килограмм сухого вещества будет соответствовать 100:(100 - 85)= около 6,6 килограмма свежего навоза.

Из 6,6 килограмма свежего навоза мы получим 0,250 - 0,320 м3 биогаза, а с 1 килограмма свежего навоза КРС можно получить в 6,6 раза меньше и получили околом 0,037 - 0,048 м3 биогаза с одного килограмма свежего навоза.

Если известен вес суточного свежего навоза, то суточный выход биогаза можно подсчитать и результат будет следующим:

* из 1 тонны навоза КРС -- 40-50 м3 биогаза;

* из 1 тонны свиного навоза -- 70 - 80 м3 биогаза;

* из 1 тонны птичьего помета -- 60 -70 м3 биогаза.

Примерные значения приведены для сырья с влажностью 85% - 92%.

Таблица 9 - Значения суточного выхода экскрементов различных видов животных (моча + кал), кг/сутки

Тип животного	Кг/сут
Быки производители	40
Коровы	35
Телята до 6 мес и на откорме до 4 мес	7,5
Молодняк: 6-12 мес и на откорме до4 мес	14
Хряки	11,1
Свиньи на откорме массой, кг
до 40	3,5
40-80	5,1
более 80	6,6

2.2.3 Метод расчета выхода биогазa

Определение поступления биомассы в сутки mБМ по формуле [49]:

кг/сут, (1)

где N - число КРС ;

m - суточный выход экскрементов КРС, кг/на одно животное

Определение доли сухого вещества в биомассе mСВ по формуле:

(2)

где цБМ - влажность биомассы, %.

Определение доли сухого органического вещества mСОВ по формуле:

mСОВ = mСВ·сСОВ, (3)

где сСОВ - доля органического вещества в сухом веществе, о.е.

Определение объема метантенкаVМТ по формуле:

(4)

где tБ - продолжительность брожения, сут;

сБМ - плотность сбраживаемой биомассы, кг/м3.

Определение выхода биогаза VПОЛ, м3, при полном разложении сухого органического вещества:

VПОЛ = mСОВ · nЭК, (5)

где nЭК - выход биогаза из 1 кг СОВ

Определение объема полученного биогаза (Vб, м3), при выбранной продолжительности метанового брожения:

(6)

где nt - доля выхода биогаза при данной продолжительности брожения, nt = 50%.

Определение месячной выработки биогаза:

VБГМ = 30 · VБ (7)

Определение годовой выработки биогаза:

VБГГОД = 365 · VБ (8)

2.2.4 Метод расчета веса биошлама [49]

Объемный вес биогаза составляет 1,2 кг на 1 м3, поэтому при подсчете количества получаемых удобрений необходимо вычитать его из количества перерабатываемого сырья

Для среднесуточной загрузки 35 кг сырья и дневном выходе биогаза 2,2 - 2,7 м3 на голову КРС масса сырья уменьшится на 4 - 5% в процессе переработки его в биогазовой установке.

2.2.5 Расчет конструктивно-технологических параметров для выбора биогазовой установки [50]

Определение размера метантенка.

Как правило, метантанки имеют цилиндрическую форму, отношение высоты к его внутреннему диаметру принимается равным h/d = 0,9…1,3. Принимаем h/d = 1.

Так как , то

(9)

Площадь поверхности метантенка определится из выражения:

F = SБОК + 2· SОСН, м2, (13)

где SБОК - площадь боковой поверхности метантанка, м2;

SОСН - площадь основания метантанка, м2.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

3.1 Статистический анализ населения Республики

Численность населения страны на 1 марта 2012 года, по текущим данным, составила 16 718,1 тыс. человек, в том числе городского - 9141,1 тыс. (54,7%), сельского - 7577,0 тыс. человек (45,3%). По сравнению с началом года численность населения в целом по стране увеличилась на 43,2 тыс. человек, или на 0,3% [51].

Таблица 10 - Численность населения Республики Казахстан на начало 2011 - 2012 гг.

	на начало 2011 года	на начало 2012 года
	всего	город	село	всего	город	село
Республика Казахстан	14330813	6850190	7480623	14482147	6921369	7560778
Акмолинская	733212	342421	390791	731328	341722	389606
Актюбинская	777471	478165	299306	786349	484960	301389
Алматинская	1873374	437406	1435968	1909362	443500	1465862
Атырауская	532020	253746	278274	542987	260396	282591
Западно-Казахстанская	608318	290000	318318	612551	297091	315460
Жамбылская	1046497	411310	635187	1055976	410499	645477
Карагандинская	1352302	1055902	296400	1358064	1063394	294670
Костанайская	881605	443244	438361	879579	446423	433156
Кызылординская	700578	295420	405158	712992	301615	411377
Мангистауская	524175	275842	248333	545724	281878	263846
Южно-Казахстанская	2567707	1007806	1559901	2621523	1025546	1595977
Павлодарская	746163	511817	234346	747055	514381	232674
Северо-Казахстанская	589308	238781	350527	583598	238376	345222
Восточно-Казахстанская	1398083	808330	589753	1395059	811588	583471

Потенциальными потребителями биогазовых установок являются жители сельской местности. По данным приведенным в таблице доля сельского населения в Республике составляет около 45,98 %, что дает возможность распространения использования биогаза.

Рисунок 4 - Численность населения Республики Казахстан на 2012 год

Как видно из рисунка 4, наибольшим потенциалом по выработке биогаза в частном секторе согласно числу сельского населения обладают Южно-Казахстанская, Алматинская, Восточно-Казахстанская и Карагандинская области.

3.2 Анализ климатических условий регионов Казахстана

Климат в Казахстане резко континентальный с ярко выраженным чередованием в пределах природных поясов и зон. Большая протяженность республики с севера на юг привела к постепенному чередованию от климата степной зоны до климата зоны пустынь. Континентальность климата умеренно увеличивается в направлении с запада на восток.

Для всей республики характерно большое колебание температур, как суточной, так и годовой. В равнинно-низкогорной части среднегодовые и среднемесячные температуры изменяются с севера на юг, а в высокогорных областях с поднятием местности над уровнем моря.

Среднегодовая температура воздуха на всей равнинно-низкогорной части республики положительная. На севере она составляет +0,4°С, на крайнем юге достигает +13,7°С. В высокогорных областях с подъемом вверх средняя температура воздуха понижается.

Самый холодный месяц в Казахстане - январь. Его средняя температура на севере -18,7°С, на юге -1,5°С. Иногда на севере республики морозы достигают -54°С, а на юге температура редко падает ниже -30°С. Самое холодное место Казахстана - район Атбасара, где температура достигала - 57°С [52].

Рисунок 5 - Среднемесячная температура января в Республике Казахстан.

Согласно кривой рисунка 6, где показана зависимость температуры от месторасположения области, можно сделать вывод, что худшие условия по выработке биогаза имеют Акмолинская, Актюбинская, Карагандинская, Костанайская, Северо-Казахстанская и Восточно-Казахстанская области. В этих областях весь выработанный биогаз будет уходить на поддержание собственной температуры биогазовой установки. А в Южно-Казахстанской, Жамбылской, Мангыстауской и Кызылординской областях средняя температура зимы позволяет получать выход биогаза для практических целей.

Таблица 11 - Средняя температура зимнего периода

Области	Средняя температура
Акмолинская	-18
Актюбинская	-16
Алматинская	-12
Атырауская	-13
Западно-Казахстанская	-17
Жамбылская	-7
Карагандинская	-16
Костанайская	-16
Кызылординская	-8
Мангыстауская	-4
Южно-Казахстанская	-5
Павлодарская	-17
Северо-Казахстанская	-18
Восточно-Казахстанская	-18



Рисунок 6 - Средняя температура зимнего периода

Самый теплый месяц в Казахстане - июль. Средняя температура июля на севере республики +18,8°С, на юге +28,8°С (рисунок 7). Летом на распространение тепла влияют угол падения солнечных лучей и степень нагревания земной поверхности. Поэтому с приближением к югу температура заметно повышается. Наиболее высокая температура на севере не превышает +41°С, а на юге +47°С. В высокогорных областях средне июльская температура понижается [52].



Рисунок 7 - Среднемесячная температура июля в Республике Казахстан

Таблица 12 - Средняя температура за летний период

Области	Средняя температура
Акмолинская	18
Актюбинская	22
Алматинская	25
Атырауская	26
Западно-Казахстанская	22
Жамбылская	24
Карагандинская	20
Костанайская	20
Кызылординская	26
Мангыстауская	28
Южно-Казахстанская	28
Павлодарская	20
Северо-Казахстанская	20
Восточно-Казахстанская	17



Рисунок 8 - Средняя температура за летний период

Исходя из рисунка 8 можно сделать вывод, что наиболее перспективно использовать БГУ в южных и западных регионах нашей страны. Ввиду того, что при повышении наружной температуры ускоряются процессы брожения в биогазовых установках. А для северных и восточных регионов в летние месяцы (теплый период года) условия для производства биогаза по климатическим условиям приемлемы.

3.3 Анализ животноводства по регионам Республики

Количество КРС в частном секторе от общего числа в Республике составляет около 75%. Соответственно можно сказать, что обеспеченность сырьем для биогазовых технологий в стране очень высока [53].

Динамика развития количества КРС в частных хозяйствах населения (таблица 13, столбцы 8,9).

Согласно таблице 13, что количество КРС в частном секторе имеет тенденцию к увеличению.

Таблица 13 - Количество голов КРС в Республике Казахстан на начало 2013 г.

	Все категории хозяйств	В том числе
		сельхозпредприятия	крестьянские или фермерские хозяйства	хозяйства населения
	2013 г.	2012 г.	2013 г.	2012 г.	2013 г.	2012 г.	2013 г.	2012 г.
Республика Казахстан	2 592 250	2 521 828	141 764	120 420	550 174	439 044	1 900 312	1 962 364
Акмолинская	154 613	138 896	27 145	20 675	15 002	11 563	112 466	106 658
Актюбинская	173 316	201 074	7 571	5 524	38 936	22 842	126 809	172 708
Алматинская	397 303	397 144	14 533	13 617	109 146	98 177	273 624	285 350
Атырауская	79 577	81 140	607	947	16 620	13 923	62 350	66 270
Западно Казахстанская	169 450	152 773	3 545	3 601	70 252	50 234	95 653	98 938
Жамбылская	123 721	122 717	2 386	2 463	18 470	18 301	102 865	101 953
Карагандинская	215 752	201 860	3 765	3 490	85 547	70 483	126 440	127 887
Костанайская	159 705	146 886	32 959	29 316	19 539	12 072	107 207	105 498
Кызылординская	99 128	99 395	1 166	1 213	13 974	8 497	83 988	89 685
Мангыстау	7 643	7 859	-	17	2 287	2 393	5 356	5 449
Южно Казахснанская	357 550	344 552	5 005	3 903	13 009	10 909	339 536	329 740
Павлодарская	153 976	150 746	9 997	9 870	34 422	28 347	109 557	112 529
Северо Казахстанская	146 662	134 170	20 137	15 506	11 097	5 933	115 428	112 731
Восточно Казахстанская	352 816	341 655	12 634	10 067	101 823	85 345	238 359	246 243

Среднее количество голов на одно хозяйство рассчитывают как отношение общего количества голов КРС к общему количеству хозяйств:

,

где Х - среднее количество голов на одно хозяйство.

Таблица 14 - Среднее количество поголовья КРС на одно хозяйство

Регионы РК	Общее количество голов	Общее количество хозяйств	Среднее количество голов на одно хозяйство
Акмолинская	112 466	5946	19
Актюбинская	126 809	4729	27
Алматинская	273 624	55105	5
Атырауская	62 350	1863	33
Западно Казахстанская	95 653	4363	22
Жамбылская	102 865	16967	6
Карагандинская	126 440	7106	18
Костанайская	107 207	7224	15
Кызылординская	83 988	3014	28
Южно- Казахстанская	339 536	81034	4
Павлодарская	109 557	4214	26
Северо Казахстанская	115 428	4158	28
Восточно Казахстанская	238 359	16369	15
Всего	1 894 282	212092	9

Из приведенных данных видно, что количество КРС для выработки биогаза на одном подворье достаточно для всех регионов страны и массовое внедрение биогазовых установок в частном секторе перспективно. Однако следует учитывать, что данные цифры являются усредненными: часть частных подворий не имеет КРС или имеет недостаточное число, в то время как в других количество КРС выше среднего значения.

Таблица 15 - Поголовье крупного рогатого скота в РК

	2003	2004	2005	2006	2007	2008	2009	2010	2011	2012
Республика Казахстан	4 859,0	5 194,7	5 453,1	5 655,7	5 837,2	5 988,3	6 092,0	6 173,4	5 700,8	5 666,7
Акмолинская	388,6	397,4	394,1	389,3	396,4	402,4	398,9	383,0	308,0	329,8
Актюбинская	350,9	372,3	397,9	421,2	435,5	447,2	457,7	468,1	471,3	371,8
Алматинская	567,0	608,4	667,4	722,2	757,6	788,8	807,2	819,1	828,8	887,1
Атырауская	123,1	135,6	144,6	153,5	165,4	172,4	178,2	182,2	183,0	149,2
Западно-Казахстанская	386,0	410,3	416,7	422,9	433,7	438,5	428,6	420,8	379,2	390,0
Жамбылская	244,7	279,8	293,0	307,9	317,2	320,8	326,1	326,6	302,9	300,0
Карагандинская	362,6	381,7	389,7	400,2	406,5	412,9	419,9	422,5	404,1	387,2
Костанайская	448,4	477,9	501,9	516,6	537,0	556,8	563,2	570,7	376,4	379,7
Кызылординская	178,6	199,5	216,2	230,8	240,1	245,4	245,6	247,4	240,7	235,9
Мангистауская	6,4	7,2	8,8	8,5	9,6	10,3	11,2	12,8	14,9	16,1
Южно-Казахстанская	515,1	560,2	607,8	642,3	676,4	715,9	749,2	833,2	837,6	854,5
Павлодарская	306,6	333,6	346,4	346,9	353,3	359,6	369,3	373,6	360,6	369,5
Северо-Казахстанская	319,1	324,8	332,0	338,5	344,4	351,7	355,2	356,1	259,7	256,3
Восточно-Казахстанская	661,9	706,0	734,8	754,9	764,1	765,6	782,7	757,3	733,6	739,6

Рисунок 9 - Численность поголовья КРС в Западно-Казахстанской области

Рисунок 10 - Численность поголовья КРС в Восточно-Казахстанской области



Рисунок 11 - Численность поголовья КРС в Северо-Казахстанской области

Рисунок 12 - Численность поголовья КРС в Южно-Казахстанской области



Рисунок 13 - Численность поголовья КРС в Алматинской области

Анализ числа поголовья КРС по регионам страны за последние 10 лет, показал, что в Южно-Казахстанской и Алматинской (рисунок 12,13) областях идет тенденция роста количества КРС и рост перспективы массового внедрения биогазовых установок.

3.4 Анализ кормовой базы регионов Казахстана [54]

Увеличение количества КРС зависит от двух факторов:

1 - емкости кормовой базы;

2 - условия водопоя скота.

В таблице 16 показана кормовая база в различных регионах нашей страны.

Таблица 16 - Кормовая база Республики

Регионы РК	Всего кормов в переводе на кормовые единицы, тонн	В среднем на 1 голову КРС в переводе на условный крупный скот, ц кормовых единиц
	2012г.	2013г.	2013г.	2012г.	2013г.	2013г
			в % к			в % к
			2012г.			2012 г
Республика Казахстан	675 379,50	520 656,30	77,1	7,5	5,4	72
Акмолинская	142 372,00	81 667,10	57,4	12,6	6,3	50
Актюбинская	19 557,50	20 830,80	106,5	3,9	4,3	110,3
Алматинская	39 356,60	40 094,50	101,9	1,9	1,8	94,7
Атырауская	3 954,80	6 537,20	165,3	3,4	6,1	179,4
Западно Казахстанская	14 833,40	11 178,70	75,4	6,3	4,8	76,2
Жамбылская	10 357,40	8 650,70	83,5	4,5	4,3	95,6
Карагандинская	19 189,70	14 771,30	77	2,5	1,8	72
Костанайская	193 965,90	135 560,30	69,9	16,3	11	67,5
Кызылординская	5 216,30	2 676,10	51,3	5,6	3	53,6
Мангыстау	704,2	1 261,90	179,2	0,7	1,7	2,4
Южно Казахснанская	21 726,00	18 232,70	83,9	3,5	2,9	82,9
Павлодарская	30 638,70	22 071,30	72	7,8	4,7	60,3
Северо Казахстанская	124 394,90	102 435,80	82,3	15,3	10,6	69,3
Восточно Казахстанская	48 124,30	54 546,70	113,3	6,7	6,4	95,5

Таблица 17 - Средние значения кормовых единиц на 1 голову КРС, в ц на 2013г. ( % к 2012г).

Области	Средние значения на 1 голову КРС, центнеров кормовых единиц, 2013г., в % к 2012г.
Мангыстау	2,4
Акмолинская	50
Кызылординская	53,6
Павлодарская	60,3
Костанайская	67,5
Северо Казахстанская	69,3
Карагандинская	72
Западно Казахстанская	76,2
Южно Казахснанская	82,9
Алматинская	94,7
Восточно Казахстанская	95,5
Жамбылская	95,6
Актюбинская	110,3
Атырауская	179,4

Согласно проведенному анализу был составлен график потребления кормовых единиц на 1 голову КРС по областям (рисунок 14)

Анализируя график можно сделать конкретные выводы, что для хозяйств Мангистауской области развитие установок биогаза не является перспективным. И наиболее перспективно для хозяйств Атырауской и Актюбинской области.

В западном Казахстане производство биогаза из навоза КРС по данным является не приемлемым, т.к. кормовая база недостаточна для большого поголовья КРС, что в свою очередь приводит недостаточности сырья для производства биогаза.



Рисунок 14 - Средние значения на 1 голову КРС, центнеров кормовых единиц, 2013г., в % к 2012г.

В Алматинской области в виду численности КРС и достатка кормовой базы имеет перспективу использования биогазовых установок,что даст возможность развития биогаза как альтернативу традиционным источникам энергии.

3.5 Результаты расчета выхода биогаза

По данным таблицы 13 (количество КРС в Республике Казахстан на начало 2013 г.) было расчитано среднее количество голов КРС на одно хозяйство по следующей формуле:

,

где Х - это среднее количество голов на одно хозяйство.

Среднее количество КРС на одно хозяйство по Республике состовляет 7 голов.

Общеизвестно, что применение биогазовых установок наиболее эффективно при наличии 5 и более голов на одном подворье.

В качестве примера рассчитаем выход биогаза при наличии пяти голов КРС на одном подворье.

Поступление биомассы в сутки для 5 коров

Доля сухого вещества в биомассе

Доля сухого органического вещества

mСОВ = 17.5 · 0,8 = 13,6 кг/сут.

Объема метантенка нужный для выработки биогаза

Выход биогаза в м3, при полном разложении сухого органического вещества

VПОЛ = 13,6 · 0,3 = 4,08 м3.

Объем полученного биогаза при выбранной продолжительности метанового брожения

Месячная выработка биогаза

VБГМ = 30 · VБ = 30 · 2,04 = 61,2 м3

Годовая выработка биогаза

VБГГОД = 365 · VБ = 365 · 2,04 = 744,6 м3

Исходя из расчетов выхода биогаза на 5 голов КРС объем годового выхода биогаза составляет 744,6 м3.

На примере Южно-Казахстанской области, где среднее количество хозяйств составляет 81.034, теоретически расчитаем эквиваленит общего годового выхода биогаза к...