Перспективы производства и применения биогаза в Республике Беларусь

С.М. Кузьменков , А.А. Котов

Введение. Биоэнергетика в последние 10-15 лет стала самостоятельной отраслью «большой» энергетики. Во многих странах мира ( страны Европейского Союза, Индия, Китай, Бразилия и др.) ее вклад в энергобаланс превышает суммарный вклад остальных возобновляемых источников энергии. Уже в 2001 г., при общем производстве энергии в мире, соответствующем 14 млрд. т.у.т., вклад биомассы составил 1,6 млрд. т.у.т., По прогнозам специалистов, к 2040 г. общее потребление энергии в мире достигнет примерно 20 млрд. т.у.т., а вклад биомассы — 3,7 млрд. т.у.т. (18,5%). Европейский союз к 2010 г. планирует довести вклад биоэнергетики в общий баланс производства энергии до 12%, что, с одной стороны, будет способствовать защите окружающей среды, особенно от транспортных выбросов, а с другой — уменьшению зависимости ЕС от импорта энергоносителей.

Основные направления использования биомассы в энергетике — это производство пеллет (горючих брикетов) и древесной щепы (для прямого сжигания), производство этанола, биодизельного топлива, биоводорода и биогаза. Для Республики Беларусь особенно перспективным представляется производство биогаза.

Производство биогаза. Биогаз (55-75% метана, 25-45% С0 2 ) получают метановым брожением биомассы (80-90% влажности). Теплотворная способность биогаза составляет от 5 до 7 Мкал/м³ и определяется концентрацией метана в его составе. Выход биогаза на 1т абсолютно сухого вещества составляет 250-350 м³ для отходов крупного рогатогоскота,400м³ — для отходов птицеводства, 300-600 м³ — для различных видов растений, до 600 м³ —для отходов спиртовых и ацетонобутиловых заводов.

Например, переработка 1 т отходов крупного рогатого скота (85% влажности) позволяет получить до 40 м³ биогаза, содержащего 55-60% метана (22-24 МДж/нм³) и 40-45% С0 2 , а также органические удобрения. К производству биогаза относится также получение газа из мусора со свалок.

Анализ эффективности применения отходов биомассы.

Проведем анализ эффективности применения отходов биомассы на животноводческом комплексе для теплоснабжения.

Животноводческий комплекс в качестве отходов биомассы получает навоз с общей массой на сухой материал М ⁰ = 100 тонн в год. При анаэробном разложении ( без доступа воздуха ) в биогазогенераторе получают биогаз, состоящий из 70% метана ( CH ⁴ ) и 30% углекислого газа ( CO ² ).

Возможная схема использования биогаза от биогазогенераторной установки приведена на рисунке 1. В биогазогенератор 1 подается биомасса через шлюзовые затворки 2. Биогаз компрессором 3 нагнетается в газгольдер 6, в котором поддерживается установленное давление, и затем подается в водогрейный котел 4, обеспечивающий нагрев воды в системе отопления 5.

В зимний период осуществляется подогрев биомассы теплым воздухом через канал 7.

Объемный годовой выход биогаза, выработанного в биогенераторной установке

V Г - М 0 • m 0 ,

3 м

V ч )

.

m

Принимая удельный выход биогаза на 1 кг сухого материала ⁰ = 0,3 (

(1) м ³ / кг ) ^,

У' получим ^Г =

_{300 (} м ³ / год )

.

Часовая производительность биогазогенератора

у

V Г - ' , т

3 м

V ч )

,

где ^т - действительный фонд времени работы биогазогенератора в год (ч).

Принимая действительный фонд времени работы газогенератора 240 дней 3

(8160 часов) в год, получим V^Г = 0,034 м /ч .

Энергетический выход биогаза из генератора при КПД переработки биомассы

П г - 0,6 •

Q Г . - Q Н • V Г • Л Г , (кВт).

П Р   А кД кДж I

^QH ^{- 26000} l     3 I Q

Теплота сгорания метана             ^{V м )} , тогда ^{Q r} . = 534 кВт.

Экономия условного топлива за счет использования биогаза для отопления при

КПД котельной ^П К = 0,8 составит

К _ Q г ■³⁶⁰⁰ _ Г кг

В_Х7г  ---------- 109 —

УС 29300 • п _К      V ч

.

При годовом фонде времени работы 240 дней ( 8160 часов ) получим годовую экономию условного топлива без необходимого подогрева биомассы:

Вгод - В УС т - 889440 1 — V год

.

Однако в зимний период для осуществления процесса брожения биомассу необходимо подогревать, что является существенным недостатком при производстве биогаза, так как требует дополнительных затрат энергии. При годовом фонде времени работы 8 месяцев продолжительность периода, в течение которого необходим подогрев, можно принять 2 месяца ( 60 дней = 1440 часов ).

Установленные затраты условного топлива на подогрев 100 кг. биомассы примем в размере 0,1 кг/ч [1, с.216]. Тогда для принятого объема в 100т получим требуемые затраты условного топлива на подогрев:

Впод - 100000 • 0,001 • 1440 - 144000 1 ——

V сезон

.

Тогда валовая экономия условного топлива составит

Впод - В год - Впод - 889440 - 144000 - 745440 1 — V год

.

Общая прибыль в годовом выражении, принимая стоимость 1 т. условного топлива 150 тыс. рублей, составит

П - Вгод • 150 - 112 млн . ( руб¹ V год

.

Требуемая величина капиталовложений в биогазовую установку может быть принята в размере К= 140 млн. руб. ( 60 тыс.у.е.), что примерно соответствует стоимости биогазовых установок ZORG, предлагаемых на рынке.

Тогда срок окупаемости капиталовложений

К Т = —

П

140 - 10 6

112 - 10 6

= 1,25 года

Приведенный расчет позволяет заключить, что даже для небольшого животноводческого комплекса достигается существенный экономический эффект со сроком окупаемости капиталовложений около 1,25 года.

Заключение

В 2007 году в Республике Беларусь разработана государственная комплексная программа мероприятий по внедрению биотоплива в промышленное производство. В этом документе предусмотрена значительная поддержка развитию производства биогаза и его применению для различных нужд прежде всего в сельском хозяйстве.

Планируется, что применение биогазовых установок позволит существенно улучшить энергетическую ситуацию в стране, а также экологическую обстановку вблизи крупных ферм и животноводческих комплексов, на посевных площадях, куда в настоящее время вывозятся отходы животноводства. Значительным шагом в этом направлении станет строительство и ввод в эксплуатацию биогазовых энергетических комплексов на СГЦ «Западный» (Брестская область), Гомельской и Заславской птицефабриках, на племптицезаводе "Белорусский". Потенциально возможное получение биогаза от животноводческих комплексов составляет 160 тысяч тонн условного топлива в год.

Правительство поручило Научно-практическому центру по механизации сельского хозяйства НАН Беларуси к 2009 году разработать биогазовые установки, которые могли бы действовать в тех областях, где есть крупные животноводческие комплексы и фермы.

Рисунок 1 - Схема использования биогаза от биогазогенераторной установки