Генерирующие установки на биогазе. Экономика и решения

По экономической эффективности генерирующие установки на биогазе могут оставить далеко позади технологии использования других энергоресурсов, как возобновляемых, так и невозобновляемых.

Биогаз – продукт анаэробного (без доступа воздуха) разложения органических веществ самого разного происхождения (навоз, отходы пищепрома, иные биологические отходы). Состоит биогаз на 50-70% из метана (CH4) и на 30-50% из углекислого газа (CO2). Его можно использовать как топливо для получения тепла и электричества. В энергобалансе европейских стран биогаз занимает 3-4%. В Финляндии, Швеции и Австрии, благодаря госстимулированию биоэнергетики, его доля достигает 15-20%. В Китае действует 12 млн. маленьких «семейных» биогазовых установок, снабжающих газом в основном кухонные плиты. Распространена эта технология в Индии, в Африке (рис. 1). В России же установки для получения биогаза можно сосчитать по пальцам. В нашей стране исследования в этом направлении были начаты в 40-х годах прошлого века, но потом работы фактически свернулись.

Рис. 1

Тем не менее, сегодня в России вновь растет интерес к биогазу. Особенно со стороны сельских товаропроизводителей. Ряд агропредприятий занялись строительством установок по производству биогаза. А так же на рынок вышел ряд компаний, предлагающих услуги по строительству и вводу в эксплуатацию биогазовых установок. Фактически данная технология сегодня из разряда опытно-экспериментальной переходит в разряд коммерческого продукта.

Технология производства биогаза сравнительно проста (рис. 2): органическая масса (навоз, отходы и пр.) периодически подается в резервуар-реактор, где и происходит процесс ферментации. Для протекания процесса в штатном режиме необходимо поддерживать определенную температуру в реакторе и перемешивать содержимое. Все операции проводятся так, чтобы исключить доступ воздуха в реактор. За процесс ферментации отвечают бактерии. Обычно они попадают в установку вместе с биомассой (содержатся в навозе). Либо их вводят специально – единоразово в момент запуска реактора. Верхняя часть реактора – газгольдер служит для сбора и хранения биогаза. Соответственно снизу отводится «перебродившая» биомасса, являющаяся по сути универсальным органическим удобрением (биогумус).

Протекание данного процесса делим по температурному режиму:

- психофильный (до ≈25 °C)

- мезофильный (от 32 до 42 °C)

- термофильный (от 50 до 57 °C)

Рис. 2

Биогаз, как мы уже знаем, состоит из метана и углекислого газа. Их можно разделить и использовать метан как обычный природный газ. Но чаще биогаз используют без сепарации в энергетических установках, отрегулированных именно под этот вид топлива. Подача газа происходит прямо из газгольдера. Биогаз может использоваться в бойлерных установках (для получения тепла), в газовых турбинах или газопоршневых двигателях. Обычно они работают в режиме когенерации – на производство электроэнергии и тепла. Как замечает руководитель направления по генерации ГК «ЭнТерра» Марк Потеряев, в биогазовых энергоустановках лучшие характеристики показывают газопоршневые установки. У них эффективность выше, чем у газотурбинных.

Установки тригенерации (электричество-тепло-холод) развития пока не получили. Тем не менее, у биогаза в этом направлении хорошие перспективы. Если довести ситуацию до идеала, то биогазовый комплекс может работать в режиме «пентагенерации» - производить электроэнергию, тепло, холод, органические удобрения и «сухой лед». Последний можно получать в процессе разделения биогаза на метан и углекислый газ в мембранных контакторах, где происходит разделение основных компонентов на технически чистые метан и СО2. Подобные технологии отрабатывались в начале 80-х в Одессе на станциях Минобороны.

Рис. 3 Схема замкнутого безотходного производства на биоотходах

Экономика биогаза

Сырье для биогазовых установок имеется в достаточных количествах на станциях очистки сточных вод, на свалках мусора, на свинофермах, птицефабриках, в коровниках. Именно агропредприятия считаются основным потребителем биогазовых технологий на ближайшую перспективу. В пользу этого играет неплохая экономика подобных проектов. Из тонны навоза КРС получается 30-50 м3 биогаза с содержанием метана 60%. Фактически одна корова способна обеспечить получение 2,5 кубометра газа в сутки. Ну а из одного кубометра биогаза можно выработать около 2 кВт электроэнергии. Плюс вырабатывается органическое удобрение, использование которого ощутимо улучшает экономические характеристики биогазовой установки. Из расчетов, приведенных Марком Потеряевым, видно, что окупаемость генерирующей установки, построенной под топливную базу – стадо КРС 900 голов, окупается в режиме производства тепла и электроэнергии за 5-7 лет, а если же учитывать стоимость получаемых удобрений, то срок окупаемости сокращается до 2,5 лет. Кстати, специалисты замечают, что полученный биогумус – это экологически чистое удобрение, лишенное нитритов, семян сорняков, болезнетворной микрофлоры, специфических запахов. Расход этих удобрений составляет 1-5 т вместо 60 т необработанного навоза для обработки 1 га земли. Испытания показывают еще и увеличение урожайности в 2-4 раза.

Решение от ГК «ЭнТерра»

ЗАО ГК «ЭнТерра» – один из первых в России профессиональных игроков на рынке технических решений для производства генерирующих биогазовых установок. Компания разрабатывает и строит «под ключ» установки малой генерации, работающие на разных видах топлива – на классических газе и мазуте, на синтез-газе (вырабатываемом из опила, торфа и других субстанций) и на биогазе. Причем именно в конструкции биогазовых энергоустановок реализованы достаточно интересные технические решения, благодаря которым этот, пока еще новый для России вид энергетики может оказаться очень удачным решением при организации энергоснабжения животноводческих хозяйств, перерабатывающих, коммунальных и других предприятий.

В основе решения от ГК «ЭнТерра» лежит хорошо отработанная в течение многих лет технология: реактор-газгольдер-газопоршневая установка. Следует заметить, что реакторы бывают двух основных типов: наземные (получили широкое развитие, например, в Германии) и заглубленные (популярны в Дании). В условиях России заглубленные реакторы так же более предпочтительны, так как лучше сохраняют тепло и требуют меньше энергии на поддержание оптимальной температуры. Специалисты ГК «ЭнТерра» собрали в единый проект самые современные научные разработки и серийное, проверенное в эксплуатации оборудование. В результате заказчику предлагается сбалансированный проект, с характеристиками, подобранными точно под конкретные условия эксплуатации. Еще одно важное качество биогазовых установок от ГК «ЭнТерра» - полностью автоматизированный режим работы.

В ходе формирования проекта удалось решить важнейшую задачу – разработана модель (спасибо российской математической школе) для расчета реактора, в котором брожение биомассы будет происходить в оптимальном режиме во всем объеме резервуара. Именно эту задачу, кстати, как правило, не удается решить «народным умельцам», создающим собственные биогазовые установки. Еще одна особенность биогазового решения от ГК «ЭнТерра» – автоматизация всех процессов – от подачи биомассы в реактор до генерации электроэнергии. На всех этапах (брожение, образование газовой смеси перед подачей в двигатель т.п.) осуществляется приборный контроль. Информация от датчиков поступает в единую АСУ ТП, которая постоянно обеспечивает оптимальные параметры работы всех элементов установки. Система автоматики контролирует работу насосной станции, мешалок, системы подогрева, газовой автоматики, генератора и подачу электроэнергии потребителю. Электрическая часть установки оснащается РЗА и другими механизмами защиты. Причем генератор может работать как в автономном «островном» режиме, так и параллельно с электрическими сетями.

В целом ГК «ЭнТерра» предлагаетзаказчику следующий комплекс услуг:

1. Подготовка предпроектной документации.

2. Разработка ТЭО биогазовой установки.

3. Разработка рабочего проекта (включая систему автоматизации).

4. Закупка оборудования и комплектующих.

5. Строительство и монтаж установки.

6. Запуск и выход на технологический режим работы.

7. При необходимости утверждение тарифа и получение техусловий на присоединение к сетям.

Ориентировочно установка будет состоять из следующих элементов: 2 приемные емкости; 2 газгольдера; 2 емкости сбраживания; 1 контейнер (быстровозводимое здание) с насосной группой; 1 контейнер с газопоршневой установкой и системой автоматики. Строительство и запуск установки в эксплуатацию занимает 8-10 месяцев (в зависимости от параметров проекта).

На сегодняшний день основным (но не единственным) заказчиком биогазовых установок (мини-ТЭЦ) видится российское животноводство. Именно в условиях фермы или птицефабрики подобный проект имеет наилучшие экономические показатели. Например, для стада КРС в 900 голов (исходя из количества продуцируемого навоза) биогазовая установка обойдется в 45 млн. руб. Срок окупаемости проекта – 2,5 года. При определении срока окупаемости исходим из тарифа для агропредприятий 3,8-4,5 руб. за 1 кВт ч электроэнергии и из стоимости биогумуса 8 руб. за 1 кг. Если не брать в расчет производимое в реакторе удобрение, то срок окупаемости биогазовой установки увеличивается до 5 лет. Установка, работающая на отходах мясоперерабатывающего предприятия, окупается менее чем за два года.