Определение возможного объема производства биогаза при использовании собственного растительного сырья в сельскохозяйственных организациях и личных подсобных хозяйствах

Введение. Как показывает опыт зарубежных стран [1], одними из наиболее востребованных видов сырья для биогазовых установок (БГУ) являются зеленая масса и отходы растениеводства. Рациональнее всего применять ботву сахарной свеклы, ботву картофеля и траву, так как данный они имеют наименьшее время цикла сбраживания, достаточно высокое содержание метана и имеет наибольший выход биогаза [2].

Использование под производство сырья для БГУ земель, занятых под сельскохозяйственные культуры является нерациональным, так как изымает данные земли, в первую очередь, из цикла по производству продуктов питания. Тем не менее, на фоне значительного роста тарифов на тепловую и электрическую энергию, а так же вследствие невысокой надежности энергообеспечения, для сельскохозяйственных предприятий все более актуальным становится вопрос поиска альтернативных источников энергии. И одним из наиболее перспективных вариантов, в условиях Орловской области, является применение БГУ [3].

В настоящее время имеется достаточно большое предложение БГУ на рынке, есть опыт их использования в условиях соседней Белгородской области [4,5]. Тем не менее большинство предложений направлены на использование существующих отходов животноводства (навоз, каныга) или бытовых отходов, отходов поселений. К сожалению, не все указанные отходы являются стабильными как по поступлению, так и по составу. Есть большое количество трудностей по переработке в БГУ отходов животноводства в связи с содержанием в них антибиотиков и других примесей, нарушающих нормальный ход процесса брожения в БГУ.

Для обеспечения стабильного объема и состава сырья для БГУ рационально использовать в качестве него именно растительное сырье, которое можно получать непосредственно на территории сельхозпредприятия. В зависимости от площади все сельскохозяйственные предприятия области делятся на 3 основных типа:

• -    Личные подсобные хозяйства (ЛПХ) - непредпринимательская деятельность гражданина и членов его семьи по производству и переработке сельскохозяйственной продукции на предоставленном (приобретенном) участке земли площадью, как правило от 0,6 до 10 гектар.

• -    Крестьянско-фермерские хозяйства (КФХ) - это объединение граждан, которые совместно владеют имуществом и осуществляют производственную или другую хозяйственную деятельность. После государственной регистрации крестьянско-фермерского хозяйства, его имущество фермерского хозяйства принадлежит его членам на праве совместной собственности. Как правило, КФХ занимают площадь от 10 до 2000 гектар.

• -    Крупные сельскохозяйственные предприятия (КСХП) – подразделения агрохолдингов, ООО, ЗАО и т.д. деятельность которых направлена на производство и переработку сельскохозяйственного сырья и получения из него продукции, доводимой до конечного потребителя. Площадь таких предприятий обычно составляет от 2000 до 7000 гектар.

При этом в структуре практически каждого хозяйства имеются неиспользуемые земли, которые можно применить в качестве источников сырья для БГУ. Авторами статьи, на основе анализа площадей сельхозпредприятий Орловской области рекомендуется использовать под эти нужды не более 10% имеющихся площадей. Более того, следует законодательно закрепить для сельхозорганизаций максимально возможно занимаемую площадь (в процентном отношении от общей площади) под выращивание энергетических культур, чтобы не произошло, как в некоторых зарубежных странах, например в Германии, отторжения пахотных земель от таких культур как пшеница в пользу энергетических растений.

На выделяемых под сырье для БГУ площадях наиболее рациональным является выращивание травяных смесей, которые затем можно заготавливать в виде силоса. В среднем урожайность в этом случае составляет 14 т/га. с одного кг сухого вещества получается 0,57 м3 биогаза. [6]

Расчеты объема получения биогаза. Согласно исходным данным (площадь хозяйства, отводимая под выращивание сырья для БГУ, равная 10% от общей площади, урожайность и выход биогаза) можно рассчитать годовой выход Биогаза для различных категории хозяйств. При этом следует учитывать, что из одной тонны силоса выходит в среднем от 28 до 50% сухого вещества [7] (примем 30%). Выход биогаза в этом случае можно определить:

^общ.биогаз    14 " *^под биогаз ' 0,3'0,57'10

где 5под биогаз — площадь земель под выращивание сырья для БГУ;

• 14 – урожайность площадей по силосу; 0,3 – доля сухого вещества в тонне силоса; 0,57 – выход биогаза, м³, из 1 кг сухого вещества.

Далее, приняв границы площадей различных типов хозяйств от минимальной до максимальной определим возможные для них объемы биогаза. Для ЛПХ:

Vобщ.биогаз min = 14 "Т • 0,1 га • 0,3 * 0,57 м- • 103 = 239,4 м3; га                          кг

Vобщ.биогазmax = 14 га' 1 га • 0,3 * 0,57 - • 103 = 2394 м3.

Для КФХ:

Vобщ.биогазmin = 14 "Т' 1 га • 0,3 * 0,57 м- • 103 = 239,4 м3; га                        кг

Vобщ.биогазmax = 14 £' 200 га • 0,3 * 0,57 мг • 103 = 478,8 • 103м3.

Для КСХП:

Vобщ.биогаз min = 14 -' 200 га • 0,3 * 0,57 - • 103 = 478,8 • 103 м3; га                           кг

Vобщ.биогазmax = 14 га' 700 га • 0,3 * 0,57 - • 103 = 1675,8 • 103 м3.

Исходя из того, что из 1 м3 биогаза вырабатывается одновременно 2,4 кВт∙ч электрической энергии и 2,5 кВт∙ч тепловой энергии [8] можно определить суммарную выработку электроэнергии и тепловой энергии установкой с генератором за год следующим образом.

Для ЛПХ:

W3 min = 239,4 • 2,4 = 574,5 кВт • ч;

WT min = 239,4 • 2,5 = 598,5 кВт • ч;

Wэ max = 2394 • 2,4 = 5745,6 кВт • ч;

Wт max = 2394 ∙ 2,5 = 5985 кВт∙ч.

Для КФХ:

Wэ min = 239,4 ∙ 2,4 = 574,5 кВт∙ч;

Wт min = 239,4 ∙ 2,5 = 598,5 кВт∙ч;

Wэ max = 478,8 ∙ 103 ∙ 2,4 = 1,15 ∙ 106 кВт∙ ч;

Wт max = 478,8 ∙ 103 ∙ 2,5 = 1,2 ∙ 106 кВт∙ч.

Для КСХП:

Wэ min = 478,8 ∙ 103 ∙ 2,4 = 1,15 ∙ 106 кВт∙ч;

Wт min = 478,8 ∙ 103 ∙ 2,5 = 1,2 ∙ 106 кВт∙ч;

Wэ max = 1675,8 ∙ 103 ∙ 2,4 = 4,02 ∙ 106 кВт∙ч;

Wт max = 1675,8 ∙ 103 ∙ 2,5 = 4,19 ∙ 106 кВт∙ч.

В климатических условиях Орловской области процесс образования биогаза не может протекать без строгого поддержания температурного режима. Поэтому определим количество теплоты, необходимое для поддержания температурного режима процесса брожения в сутки:

Q под = m сут ∙ C с ∙ ^Т пр - Т заг ^ ∙ ¹ _η ,МДж                   (2)

где mсут – масса загружаемого материала в сутки, кг; Ссут -средняя теплоемкость субстрата, МДж/кг∙К; Тпр - температура процесса брожения, К; (33 оС для мезофильного, или 54оС для термофильного процессов); Тзаг - температура загружаемого субстрата, К; (от +2 до +28 оС); η -коэффициент полезного действия процесса (η = 0,85).

При этом удельная теплоемкость силоса принимается равной 1,2 кДж/кг∙оС [9]

Результаты расчетов сводим в таблицу 1.

Таблица 3.1 - Основные характеристики исследуемых моделей

Параметры	Варианты модели
	ЛПХ	КФХ	КСХП
Загружаемая масса	силос	силос	силос
Загрузка, кг/сут	3,84-38,4	38,4-7671	7671-26849
Возможная выработка биогаза в год, м3	239,4-2394	239,4-478,8*103	478,8*103- 1675,8*103
Возможная        выработка электроэнергии в год, кВт∙ч	574,5-5745,6	574,5-1,15*106	1,15*106-4,02*106
Возможная выработка тепловой энергии в год, кВт∙ч	598,5-5985	598,5- 1,2*106	1,2*106- 4,19*106

Продолжение таблицы 3.1

Процесс/температура	Мезофильны й 33оС	Мезофильн ый 33оС	Мезофильны й 33оС
	Термофильн ый 54 оС	Термофиль ный 54оС	Термофильн ый 54 оС
Затраты на поддержание процесса брожения Qпод, МДж/сут при наружней температуре Т = -27 оС и соответствующем режиме: мезофильном термофильном	325,2-3252,7	3252,7 649778,8	649778,82274268,235
	439,1-4391,1	4391,1 877201,4	877201,4 3070262,1
Затраты на поддержание процесса брожения Qпод, МДж/сут при наружней температуре Т=+28оС и соответствующем режиме: мезофильном термофильном.	27,1-271	271-54148	54148      - 189522
	140,9-1409	1409 281570	281570985516

Для личных подсобных хозяйств площадью до 1 гектара и отводящих 10% своей площади под выращивание сырья, возможная выработка биогаза составит до 2394 м3, что эквивалентно 5745,6 кВт∙ч электроэнергии и 5985 кВт∙ч тепловой энергии. Для КФХ эти показатели составят 1,15∙106 кВт∙ч электрической и 1,2∙106 кВт∙ч тепловой энергии. Для крупных сельскохозяйственных предприятий выработка биогаза может достигать 1675,8 тысяч кубометров, что эквивалентно 4,02∙106 кВт∙ч электрической и 4,19∙106 кВт∙ч тепловой энергии.

В среднем расход газа на человека в год составляет, для домов с газовыми плитами и газовыми водонагревателями порядка 237.5 м3. То есть семье из 4-х человек требуется 237,5∙4 = 950 м3. При этом на поддержание процесса брожения в БГУ требуется 643075 МДж энергии если принять средний годовой расход энергии на этот процесс равным 1761,85 МДж/сут (среднее математическое от зимнего и летнего расхода). Как известно, 1 ГДж энергии эквивалентен 0,03 тонны природного газа [10]. В то же время различными исследованиями подтверждено, что минимальный выход метана из биогаза составляет 14% [11,12] в других источниках наиболее часто встречается значение 60% [13].

Следовательно, 1 ГДж энергии равен 0,03/0,14 = 0,214 т. биогаза. Плотность биогаза составляет 1,2 кг/м3 [14], следовательно, 0,214 т ∙ 1,2 кг/м3 = 0,257∙103 м3 биогаза.

Приняв процент выхода 14% получим, что на подогрев субстрата необходимо в год 643,075 ГДж ∙0,257∙103м3/ГДж = 175559 м3 биогаза. Это больше его годовой выработки в хозяйствах подобного рода. Поэтому для ЛПХ биогаз рационально использовать либо только в летний период, либо при условии, что БГУ размещается в отапливаемом помещении.

Для более крупных хозяйств возможно круглогодичное использование БГУ, но следует помнить, что в зимний период от 50-ти, до 100% получаемого биогаза может уходить на собственные нужды БГУ.

Выводы.

• 1.    Использование растительного сырья является перспективным направлением для использования в сфере биогазовых технологий. При этом для получения растительной массы возможно использование не занятых под сельскохозяйственные культуры залежных земель.

• 2.    При выращивании растительного сырья на территории сельхозпредприятия следует ограничивать территорию, занимаемую под энергетические растения, авторами предлагается в размере 10% от площади сельскохозяйственных земель предприятия.

• 3.    Одной из трудностей практического внедрения БГУ в условиях Орловской области является то, что большое количество получаемого биогаза необходимо затрачивать на собственные нужды БГУ. При этом снижается экономическая эффективность БГУ за счет получения газа. Другие эффекты (создание новых рабочих мест, переработка отходов и повышение экологичности сельхозпроизводств) в статье не рассматривались.

• 1.    Руководство по биогазу: от получения до использования Издано Агентством по возобновляемым ресурсам (FNR). Издатель: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR). 5-е полностью переработанное издание, Гюльцов, 2010.

• 2.    Интернет ресурс Сырье для получения биогаза - http://biogas-energy.ru/materials/

• 3.    Васильев В.Г., Виноградов А.В. Ресурсы Орловской области с точки зрения использования возобновляемых и

  нетрадиционных источников энергии Электрика, 2006. N 5, с. 39-43.

• 4.    Концепция развития биоэнергетики и биотехнологий в Белгородской областина2009-2012 годы, утвержденная постановлением Правительства Белгородской области от 08 июня 2009 года № 183-п, в целях решения экологических, природоохранных проблем, возникающих в результате интенсивного развития отраслей животноводства и птицеводства в Белгородской области, и разработки инновационных подходов к реализации перспективных мероприятий, направленных на охрану окружающей среды»;

• 5.    Биогазовая станция «Лучки» благополучно пережила свою первую зиму http://greenevolution.ru/2013/03/07/biogazovaya-stanciya- luchki-blagopoluchno-perezhila-svoyu-pervuyu-zimu/

• 6.    Надежкин С.Н. Многолетние кормовые растения. Учебное пособие / С.Н. Надежкин // - Уфа: изд. БГАУ, 2009г.

• 7.    Интернет-ресурс: http://tsenovik.ru/articles/korma-i- kormovye-dobavki/sila-v-silose/

• 8.    Интернет ресурс: Когенерация http://zorgbiogas.ru/options /cogeneration.ru

• 9.    БОДРОВ, В.И. Системы активной вентиляции для сушки биологически активного сырья [текст]: учебное пособие / В.И. Бодров, М.В. Бодров, М.Н. Кучеренко, А.А. Юдинцев; под общ. ред. В.И. Бодрова; Нижегород. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Н.Новгород: ННГАСУ, 2010г.

• 10.    МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ для производственных малых и средних предприятий по вопросам повышения ресурсо - и энергоэффективности (практика энергоменеджмента) /Троицкий-Марков Т.Е., Сенновский Д.В., Зуев В.И., Журова А.В./ - Москва, 2010г. – 145с.

• 11.    Отчет по научно-исследовательской работе «Внедрение и практическая реализация инновационных технологий преобразования отходов свиноводства, молочного и мясного животноводства и сахарного производства в энергию», выданного научно-техническим советом Орловской области. Рукопись. Исполнители: д.б.н., проф. Павловская Н.Е., к.т.н., доц. Виноградов А.В., к.т.н., с.н.с. Уваров А.В., магистрант Леонов Б.В., аспирант Шалимов В.Л., аспирант Лушников А.В. Орел ГАУ, 2013г, 161с

• 12.    Биогазовые установки для переработки отходов свиноводства в Орловской области. /А.В. Виноградов, А. В. Уваров, Н. Е. Павловская, Б. В. Леонов, А. В. Лушников/, Энергия: экономика, техника, экология. №8, 2014г, с.16-23.

• 13.    Росбиогаз: http://www.rosbiogas.ru/on-line-calculator-2.html

• 14. Интернет-ресурс http://esco-ecosys.narod.ru/2008_2/art122.htm .

Меринов Сергей Евгеньевич - Орел ГАУ, магистр кафедры Электроснабжение, 110800.68, г. Орел, кафедра электроснабжение,

DETERMINATION OF POSSIBLE OUTPUT OF BIOGAZ WHEN USING OWN VEGETABLE RAW MATERIALS IN THE

AGRICULTURAL ORGANIZATIONS AND PERSONAL SUBSIDIARY FARMS

Merinov Sergey Evgenyevich – Orel SAU, the master of the Power supply chair, Orel, chair power supply,