Эколого-экономические предпосылки совместного применения биоэнергетических и теплофотоэлектрических установок

Отрицательное воздействие человеческой деятельности на окружающую среду связано не только с возрастающим потреблением природных ресурсов, но и, в большей степени, с образованием жидких и твердых отходов предприятий сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности [1, 2].

По информации, представленной Росстатом, на конец июля 2021 года поголовье крупного рогатого скота в хозяйствах всех сельхозпроизводителей, по расчетам, составляло 18,9 млн голов (на 1,3% меньше по сравнению с соответствующей датой предыдущего года), из него коров - 8 млн (на 1,4% меньше), свиней - 27,5 млн (на 2,4% больше), овец и коз - 23,3 млн голов (на 5,4% меньше). В структуре поголовья скота на хозяйства населения приходилось 40,4% поголовья крупного рогатого скота, 9,3% свиней, 46% овец и коз (на конец июля 2020 года - соответственно 40,9%, 10,3%, 45%). [3]

За 5 лет производство продукции свиноводства в России увеличилось на 39%. Основной прирост обеспечивает промышленный сектор, доля продукции которого в прошлом году составила 88%. [4]

Согласно Федеральному классификационному каталогу отходов, утвержденному приказом Росприроднадзора от 22.05.2017 № 242, к III классу опасности относится навоз свиной свежий и помет птичий свежий, к IV классу опасности - навоз свиней перепревший, помет птичий перепревший, навоз крупного и мелкого рогатого скота свежий, навоз конский свежий, к V классу опасности - навоз крупного и мелкого рогатого скота перепревший, навоз конский перепревший.

Объекты, на которых осуществляется деятельность по выращиванию и разведению свиней с проектной мощностью 20 тыс. мест и более для свиней массой тела более 30 кг (для объектов, введенных в эксплуатацию до 1 января 2005 г.); с проектной мощностью 42 тыс. мест и более для свиней массой тела более 30 кг (для объектов, введенных в эксплуатацию после 1 января 2005 г.), относятся к объектам негативное воздействие на окружающую среду (HBOC) I категории, к которой относятся объекты, оказывающие значительное HBOC и относящиеся к областям применения наилучших доступных технологий.

В таблицах 1 и 2 приведены усредненные расходы навозных стоков свиноводческих предприятий и характеристика навозных стоков, соответственно.

Таблица 1 – Усредненные расходы навозных стоков свиноводческих предприятий различной производительности

Производительность предприятия, голов/год	Расход стоков м 3 /сут. при различных системах удаления навоза
	Самотечная		Гидросмывная
	Непрерывного действия и секционная	Периодического действия	Бесканальная	Канальная
24000	300	360	450	700
54000	700	800	1000	1400
108000	1400	1600	2000	2800
216000	2800	3200	4000	5600

Таблица 2 – Характеристика навозных стоков свинокомплексов

Показатели	Ед. изм.	Значение
рН		7,1-8,0
Взвешенные вещества	мг/л	8000-39600
Сухое вещество	г/л	8-35
ХПК	мг/л	7600-40000
БПК полн.	мг/л	6400-33600
Общий азот	мг/л	1700-4370
Аммонийный азот	мг/л	480-1430
Фосфаты	мг/л	430-900
Калий	мг/л	150-630
Хлориды	мг/л	140-600
Сульфаты	мг/л	190-220
Мочевина	мг/л	1500-7200
Общее число микроорганизмов и колиподобных палочек	экз/мл	10 15 – 10 17
Содержание яиц гельминтов	экз/л	100-40000

Как видно из представленных Таблиц 1 и 2 наиболее вредное влияние на окружающую среду оказывают промышленные комплексы, на которых для уборки навоза применяется гидросмыв [5].

Одним из способов снижения вредного влияния органических отходов животноводства на окружающую среду является их анаэробная обработка. Несмотря на положительные эффекты анаэробной обработки навоза в биогазовых реакторах серьезным тормозом их внедрения в сельское хозяйство России является их относительно низкая энергетическая эффективность при производстве биогаза (до 60% выделившегося биогаза используется установкой для собственных нужд) [6].

Для увеличения эффективности выработки электрической энергии за счет использования анаэробной биоконверсии органических отходов необходимо разработать комплекс технических средств для компенсации собственных нужд биогазовой установки. Одним из способов снижения собственных нужд является использование местных возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в том числе солнечной энергии [7]. При этом в настоящее время в центре внимания находится электрофизическое влияние на процесс разложения органических субстратов, в том числе отходов, с образованием метана. Интересно, что скорость образования метана увеличивается в разы и его концентрация в биогазе повышается до 80 - 90%. [8]

Цель работы заключается в эколого-экономической оценке совместного применения биоэнергетических и теплофотоэлектрических установок для получения энергии путем анаэробной биоконверсии органических отходов животноводства.

Материалы и методы

Для оценки биоэнергетического потенциала использовалась методика, приведенная в [9].

Количество отходов животноводства оценивалось по формуле

V = 365 • N • Do

где V - объем влажного навоза за год, т/год;

N - популяция животных, тыс.гол.;

D_o - количество влажного помета в день, кг/гол.

Годовой биоэнергетический потенциал отходов животноводства был рассчитан по выходу влажного навоза по формуле:

Е = V •

(100 -W)

LHV

где Е - технический биоэнергетический потенциал, ГДж/год;

• V - объем влажного навоза за год, т/год;

• W - содержание воды во влажном помете для i-го вида животных, %;

LHV - это низшая теплотворная способность навоза ГДж/т.

Значения низшей теплотворной способности приняты согласно справочнику по ресурсам возобновляемых источников энергии России Безруких. [10]

Результаты и обсуждение

Согласно методике, представленной Намсараевым и соавт. [9] биоэнергетический потенциал органических отходов от содержания 27,5 миллионов свиней составит 50,4 ПДж/год.

C целью обеспечения электрической и тепловой энергией биогазовых установок для увеличения выхода биогаза благодаря уменьшению его использования на собственные нужды, предложено использование солнечных теплофотоэлектрических модулей [11, 12] совместно с биогазовой установкой.

В качество строительно-защитного компонента биогазовой установки с функцией тепло- и электрогенерации от солнечной энергии предложена планарная теплофотоэлектрическая кровельная панель [13, 14], в состав которой входят планарные фотоэлектрические преобразователи собственного производства с относительно невысокой электрической эффективностью, однако в планируемом серийном производстве теплофотоэлектрических планарных кровельных панелей будут использоваться высокоэффективные планарные фотоэлектрические преобразователи (электрическая эффективность 22%) с односторонней контактной сеткой на тыльной стороне фотоэлектрических преобразователей (SunPower или Maxeon), что увеличит и выходную электрическую мощность (до 20 Вт) (таблица 3).

В результате проведённых лабораторных и натурных исследований теплофотоэлектрической паланарной кровельной панели получены основные её характеристики, которые представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Основные параметры образца стационарного теплофотоэлектрического модуля в виде кровельной панели

Длина кровельной панели, мм	434
Ширина кровельной панели, мм	312
Толщина кровельной панели, мм	26
Масса кровельной панели, кг	2,5
Срок номинальной мощности, лет	40 – 50
Тип фотоэлектрических преобразователей	Монокристаллические кремниевые
Количество фотоэлектрических преобразователей, шт.	6
Коммутация фотоэлектрических преобразователей	Последовательная
Размер фотоэлектрического преобразователя, мм	125 × 125
Площадь фотоэлектрического преобразователя, м 2	0,09
Площадь фотоприёмника, м 2	0,1
Материал абсорбера	Алюминий (медь)
Ток короткого замыкания, А	4,7 (6,2)*
Ток в рабочей точке, А	4,6 (5,8)*
Напряжение холостого хода, В	3,2 (4,1)*
Напряжение в рабочей точке, В	2,5 (3,4)*
Мощность электрическая, Вт	11 (20)*
Коэффициент заполнения ВАХ, %	60 (75)*
КПД фотопреобразования, %	13 (20)*
Материал подложки	Пластик (вторичный пластик)
Заполнитель-герметик	Кремнийорганический двухкомпонентный полисилоксановый компаунд
Температура эксплуатации панели, °C	- 50 … + 90
Крепление панели	2 самореза в деревянную балку
Теплоизолятор лицевой	Воздух (инертные газы)
Теплоизолятор тыльный	Воздух (пенопласты, минеральные ваты)
Защитный лицевой материал	Закалённое стекло с малым содержанием оксида железа (optiwhite) толщиной 3 – 4 мм

Класс защиты распределительной коробки	IP 65
Коннекторы	MC4 герметичные
Длина кабеля, мм	40
Сечение кабеля, мм 2	4 (6)
Теплоноситель	Вода (воздух, фреон)
Количество отверстий для теплоносителя	1 (2) вход, 1 (2) выход
Коммутация магистрали теплоносителя	Гидравлические штуцеры
Тепловая магистраль панелей	Теплоизоляционные трубопроводы
Объём теплоносителя в радиаторе панели, л	0,3
Расход теплоносителя, л/мин	… 0,1 – 1 … (регулируемый)
Температура теплоносителя на входе, °C	10 – 30
Температура теплоносителя на выходе, °C	35 – 55
Стоимость панели, тыс. руб.	0,6 – 1
* В скобках указаны электрические значения при использовании фотоэлектрических преобразователей с односторонней контактной сеткой и электрическим коэффициентом полезного действия около 20 %, которые планируются использовать в серийном производстве стационарных теплофотоэлектрических модулей в виде кровельных панелей

На рисунке 1 представлен опытный образец разработанной планарной теплофотоэлектрической кровельной панели.

Рисунок 1 – Общий вид планарной теплофотоэлектрической кровельной панели.

Вырабатываемая солнечными теплофотоэлектрическими модулями электрическая энергия с постоянным током может быть направлена на питание микробной электролизной ячейки (МЭЯ). При этом экспериментально установлено, что подача разности потенциалов на электроды микробной электролизной ячейки, являющейся средством интенсификации процессов, происходящих в биоэнергетической установке, способна повысить производительность процесса анаэробной биоконверсии в 1,46 раза при напряжении 2,5 В. Таким образом, подача напряжения на электроды МЭЯ возможна непосредственно от теплофотоэлектрических модулей без использования дополнительных преобразователей.

Анаэробно обработанные органические отходы являются органическими удобрениями по ГОСТ 33380-2015 «Удобрения органические. ЭФФЛЮЕНТ» [15]

Капитальные вложения на создание биогазовой установки в составе метантенков, газгольдера и устройств для утилизации биогаза по действующим в настоящее время мировым ценам составляют от 500 до 1000 американских долларов за 1 м ³ метантенка.

При этом по информации ООО «СельхозБиоГаз» [16] стоимость поставки «под ключ» одного реактора блочно-модульной конструкции объемом 100 м ³ составляет 5 млн. руб., включая насосы загрузки и перемешивания, водогрейный котел и инженерную обвязку анаэробного биореактора.

Однако в настоящее время фактическое использование органических отходов, потенциально пригодных для производства биогаза, на 2-3 порядка ниже, чем имеющийся потенциал для органических отходов. [17]

Для переработки органических отходов от 27,5 миллионов голов свиней необходимый объем анаэробных биореакторов, построенных по традиционной технологии (аналогично Байцуры), составит 2,75·10 ⁶ м ³ . При этом применение МЭЯ в биоэнергетической установке совместно с теплофотоэлектрической установкой при термофильном температурном режиме позволяет не только обеззаразить навоз с получением органических удобрений, но и снизить необходимый объем более чем в три раза до 825·10 ³ м ³ за счет ускорения микробиологических и биохимических процессов путем повышения температуры и воздействия постоянным электрическим током.

Согласно полученным экспериментальным данным выход биогаза составляет 2,2 м ³ /(м ³ ·сут), что эквивалентно 41 ТДж/сут при обработке органических отходов от 27,5 миллионов голов свиней, или 3,76 ГВтч/сут при утилизации биогаза в когенерационной установке с газопоршневым двигателем.

Удельные капитальные вложения на создание биоэнергетической установки с МЭЯ и когенерационной установкой составляют 428 тыс. руб. за кВт производимой электрической мощности, при этом применение теплофотоэлектрических модулей позволяет снизить удельные капитальные вложения на 3-5% до 417 тыс. руб./кВт в зависимости от региона и поступающего солнечного излучения.

Выводы

Таким образом, для переработки органических отходов от содержания 27,5 млн. голов свиней с помощью биоэнергетических установок с комплексным применением МЭЯ и теплофотоэлектрических модулей необходимо затратить 65,3 млрд. рублей при ежегодном получении 8,23 млрд. рублей только за счет отпуска электроэнергии с тарифом 6 руб./кВтч. При этом розничная цена эффлюента, получаемого при анаэробной обработке органических отходов, под различными названиями в среднем составляет 200 рублей за 5 литров.

Ковалев Андрей Александрович, ст. научный сотрудник, к.т.н., Федеральное государственное бюджетное научное учреждение"Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ”(ФГБНУ ФНАЦ ВИМ), 109428, РФ, г. Москва, 1-й Институтский проезд, дом 5 Панченко Владимир Анатольевич, доцент, доцент; ст. научный сотрудник, к.т.н., Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российскийуниверситет транспорта", 127994, ГСП-4, г. Москва, ул Образцова, д. 9, стр. 9

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение"Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ"(ФГБНУ ФНАЦ ВИМ), 109428, РФ, г. Москва, 1-й Институтский проезд, дом 5

Ковалев Дмитрий Александрович, вед. научный сотрудник, к.т.н., Федеральное государственное бюджетное научное учреждение"Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ"(ФГБНУ ФНАЦ ВИМ), 109428, РФ, г. Москва, 1-й Институтский проезд, дом 5

Kovalev Andrey Alexandrovich, Art. Researcher, Ph.D., Federal State Budgetary Scientific Institution "Federal Scientific Agroengineering Center VIM" (FGBNU FNATS VIM), 109428, Russian Federation, Moscow, 1st Institutskiy proezd, building 5

Researcher, Ph.D., Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education "Russian University of Transport", 127994, GSP-4, Moscow, Obraztsova st., 9, bldg. 9 Federal State Budgetary Scientific Institution "Federal Scientific Agroengineering Center VIM" (FGBNU FNATS VIM), 109428, Russian Federation, Moscow, 1st Institutskiy proezd, building 5 Dmitry Alexandrovich Kovalev, Leading Researcher, Ph.D., Federal State Budgetary Scientific Institution "Federal Scientific Agroengineering Center VIM" (FGBNU FNATS VIM), 109428, Russian Federation, Moscow, 1st Institutskiy proezd, building 5