Может ли биогаз заменить атомную энергию?

Производство энергии становится серьезной отраслью сельского хозяйства Германии. Сегодня многие крестьяне выращивают кукурузу не на силос или зерно, а для использования в биогазовых установках. За последние пять лет в Германии их инсталлированная мощность выросла вдвое и превысила 3 000 МВт. В целом же, в «зеленом» энергетическом балансе этой страны биомасса занимает более 40 %, ее рынок оценивается в 11,4 млн евро. Перспективы биоэнергетики можно было оценить на специализированной выставке «BioEnergy Decentral», прошедшей в рамках «EuroTier-2012».

«Зеленая» энергетика уже давно стала заметной отраслью в Германии. Возобновляемые источники занимают порядка 10 % в балансе страны, а в будущем их доля только возрастет. После аварии на японской АЭС «Фукусима» немецкие политики приняли решение отказаться от атомных станций. Их должны заменить возобновляемые источники, которые, кроме всего прочего, рассматриваются и как альтернатива российскому газу и путь к энергетической независимости страны. Причем решающую роль в этом предстоит сыграть сельскому хозяйству. По словам управляющего директора «VDMA Power Systems» Торстена Хердана, новая энергетическая политика требует регулируемых источников:

— В условиях децентрализованного энергоснабжения требования к гибкости системы растут. Необходимы регулируемые источники, которые позволяли бы производить энергию в соответствии с потребностями, а не тогда, когда есть возможность, как это происходит на ветряных и солнечных станциях. Таким источником является биомасса.
В условиях Германии (см. табл.) наиболее широко биомасса используется для получения тепла (45,5 %), электроэнергии и биотоплива (13,0–13,1 %).

От дров — к биомассе

В Европе ставка делается на древесину коротких сроков роста (КСР), что способствует развитию лесного хозяйства и является элементом защиты атмосферы от вредных выбросов. В странах с умеренным климатом предпочтение отдается тополю и иве, а в субтропикаx и тропикаx — эвкалипту и пинии.

В Германии плантации КСР субсидируются. Их создание регулируется не лесным, а аграрным законодательством, снимающим многие ограничения. Однако Еврокомиссия требует, чтобы продукция направлялась только на производство биомассы на энергетические цели.
В 2004 году в отопительных установках для сжигания биомассы и ТЭЦ Германии было использовано примерно 2 млн т древесной массы, 75 % из которой — в средних и небольших устройствах мощностью менее 1 МВт. В маломощных устройствах обычно используют отходы древесины. Если мощность превышает 1 МВт, часто сжигается ненужная древесина и отходы ее промышленной переработки, побочные продукты в виде опилок, коры и зеленых частей. Примерно 20,2 % древесной массы использовалось в частных домовладениях в виде дров. Цены на топливо из побочных продуктов переработки хвойной древесины выросли в 2–3 раза по сравнению с 2004 годом.

Потребление пеллет в течение последних лет непрерывно растет. В 2008 году мировой объем производства оценивался в 8–14 млн т, на долю Германии приходилось примерно 10 %. Несмотря на это, страна импортирует около 30 % потребляемых пеллет. Основные поставщики — Польша, Румыния, Австрия, Канада, Голландия, Бельгия, Дания.

Топливо из соломы имеет хороший потенциал для коммунального хозяйства. Однако ее использование в большинстве случаев требует специальной техники и котлов. Брикеты из соломы лучше приспособлены для сжигания и ориентированы на бытовое потребление.
Для сжигания соломы предназначены установки мощностью от 85 до 400 кВт и от 3 МВт. В этом случае полные затраты обычно ниже, чем при использовании нефтепродуктов. Тем не менее, данный сегмент растет относительно медленно: часто солому выгоднее заделывать в почву для повышения ее плодородия, нежели применять в качестве топлива.

Перспективным направлением в сельском хозяйстве многих стран является возделывание энергетических растений. Сегодня к ним относят как культуры двойного-тройного назначения (кукуруза, рапс, зерновые), так и специализированные (мискантус, сильфия (сильфиум дольчатый), ятрофа, тарви). Наиболее интересны мискантус, сильфия и тарви, т. к. их можно возделывать в умеренном климате.

Мискантус — быстрорастущий тростник семейства мятликовых. Его возделывают в Великобритании и других странах Европы. По энергетической ценности 1 т сухой массы мискантуса эквивалентна 400 кг сырой нефти. Растения могут произрастать на участке в течение 15–20 лет, достигать до 3,5 м в высоту и давать ежегодный урожай сухой массы 12–18 т/га. По сравнению с пшеницей мискантус требует в 2,3 раза меньше затрат. Теплотворная способность продуктов из него составляет примерно 17,5 MДж/кг, что при урожайности 15 т/га соответствует энергетической поставке 262 500 MДж/га, или 73 000 кВт•ч/га. Правда, сжигается мискантус в специальных котлах, производимых в Европе несколькими компаниями — «Froling», «Guntamatic», «Hargassner», «Lambion», «Lindner» и др.

Сильфия (сильфиум дольчатый) происходит из умеренной климатологической зоны Северной Америки. В Германии культура возделывается пока с исследовательскими целями. Сильфия интересна из-за высокого выхода биогаза, уровень которого сравним со специальными сортами и гибридами кукурузы. Уже со второго года высота растений достигает 1,5–3 м, что дает 13–28 т/га биомассы. При этом затенение земли листвой не позволяет развиваться сорнякам — гербициды не нужны. Высокие издержки в первый год, когда необходим особый уход и обработки, несколько сдерживают разведение культуры.

При реализации на низкоплодородных землях потенциала урожайности энергосортов тарви на 50 % Беларусь с площади 1,2 млн га может ежегодно получать 7,2 млн т сухой энергобиомассы, что эквивалентно 4,2 млн т условного топлива. Создаются энергосорта тарви с устойчивостью к болезням, вредителям и экстремальным факторам среды с потенциальной урожайностью сухой биомассы 14 т/га, зерновой части — 3 т/га. Удельная теплота сгорания всей (солома и зерно) биомассы — около 17,2 МДж/кг. В эквиваленте 7,2 млн т тарви с энергоплантаций в десять раз превышает объем каменного угля, использованного в Беларуси в 2000 году. По расчетам специалистов Научно-практического центра НАН Беларуси по земледелию такая масса может дать столько энергии, сколько планируется производить на белорусской АЭС.

Энергия из отходов

Производство биогаза и электроэнергии из него пока остается основным и наиболее перспективным направлением в биоэнергетике. Подсчитано, что для снабжения электроэнергией, получаемой из биогаза, домашнего хозяйства из четырех человек в течение года требуются животноводческие стоки от 4 коров, 20 свиней, или урожай с 2,2 га кукурузного поля.

Главным достоинством биогазовых установок является их управляемость. Производитель имеет возможность регулировать выход энергии различными способами, в том числе за счет состава исходного сырья. Именно по этой причине производство биогаза в Германии развивается наиболее активно.

Анализ работы репрезентативной выборки из 61 биогазовой установки, представленный в рамках «BioЕnergу Decentral», позволяет обобщить немецкий опыт в этой отрасли. Средняя доля возобновляемого сырья в выработке биогаза достигает 63 %. Кукурузный силос применяется на 94 % установок и является главным субстратом (массовая доля — 48 %). В целом, в стране доминируют небольшие установки, работающие в диапазоне мощности на уровне 250 кВт электрической энергии, со средним объемом ферментера 3 000 м3. В 67 % случаев реализуется многоступенчатый технологический процесс, причем чаще всего в мезофильном температурном режиме (25–40 °С). Всего же данный режим применяется на 82 % установок. Только 10 % составляют ферментеры с термофильным режимом (51–55 °C). В рамках исследовательской программы биогазовые комплексы подразделялись на установки влажной ферментации и установки сухой ферментации. Последние в соответствии с законом EEG от 2004 года получают технологический бонус за применение субстрата с высоким содержанием сухого вещества. К слову, этот тип оборудования пока не применяется в Беларуси.

Рабочий объем установок находится в пределах от 410 до 8 100 м3, а установленная электрическая мощность — от 46 до 2 128 кВт электрической энергии. На 1 кВт установленной мощности приходится 1,1–13,1 м3 объема ферментера. Годовой оборот общего объема субстрата на 61 установке колеблется в диапазоне от 1 000 до 36 000 т/г. Содержание органического сухого вещества (ОСВ) в субстратных смесях варьируется в пределах от 11,0 до 34,7 % сухой массы. В результате анаэробного брожения содержание ОСВ снижается в среднем до 6,0 %. Ввиду применения различных способов эксплуатации показатели нагрузки ферментера на рассматриваемых установках находятся на уровне от 1,1 до 9,8 кг ОСВ/м3 рабочего объема в день. При проектировании установок учитывается предполагаемый вид исходного сырья и получаемое количество биогаза.

На фоне других установок выделяются некоторые реакторы сухой ферментации, имеющие очень высокие показатели нагрузки. Время гидравлического отстаивания субстрата во всей системе — от 29 до 289 дней. Чем выше величина содержания ОСВ в субстрате, тем дольше время его отстаивания в многоступенчатых установках. В одноступенчатых реакторах этот показатель значительно ниже и не превышает 100 дней.

Выход метана находится в пределах 224–464 нм3 CH4/т ОСВ. Независимо от техники для измерения объема газа средняя величина выработки электроэнергии составляет 1 296 кВт•ч/т ОСВ. Газ со средним содержанием метана 52 % в 45 % случаев сжигается в газожидкостных и в 55 % — в газовых двигателях. Показатель использования установленной общей мощности двигателей для выработки электроэнергии составляет в среднем 85 %.
Потребность биогазовых установок в электроэнергии на собственные нужды находится на уровне в среднем 7,9 % от выработанного объема. Существует однозначная зависимость между удельной потребностью в электроэнергии на собственные нужды и величиной доли навозной жижи в субстратной смеси: чем выше ее доля, тем меньше величина потребления электроэнергии на тонну субстрата.

Около 93 % установок утилизирует вырабатываемую тепловую энергию. Однако показатель использования теоретической мощности по ее выработке составляет в среднем всего 23 %. Только 9 % реакторов утилизирует более половины вырабатываемой энергии этого типа.

Экономика далека от идеала

Инвестиции в рассматриваемые биогазовые установки составляют 0,29–5 млн евро при удельных капиталовложениях 1 529–6 140 евро на 1 кВт установленной мощности. Средняя доля расходов на эксплуатацию двигателя — 22,5 %.

Ежегодная прибыль поступает, прежде всего, от сбыта электроэнергии. Сбыт тепла имеет второстепенное значение, и только на одной установке доля выручки от его продажи достигает 20 %. В ежегодных затратах доминируют расходы на субстрат (42 %). В среднем 1 т обходится в 32 евро. Экономические результаты работы биогазовых предприятий сильно различаются. Уровень маржи на один выработанный киловатт-час электроэнергии составляет от –10,4 до +7,8 евроцента. Причем существует зависимость экономического результата от показателя использования биогазовыми установками мощности по выработке электроэнергии. Убытки говорят о необходимости оптимизации технологии.

Серьезное влияние на экономику оказывает рост стоимости субстрата. Она увеличивается опережающими темпами по сравнению с расценками на энергию? передаваемую в сеть.
Еще один критерий эффективности — величина выхода метана и удельной выработки электроэнергии. Оба параметра показывают однозначную зависимость от времени отстаивания субстрата и имеют самые низкие показатели на одноступенчатых установках с высокой долей навозной жижи в сырье.

Для проведения комплексной оценки также рассматривались величины потенциала газа в остатке брожения. Только на 20 % установок присутствует хранилище остатков ферментирующей массы, оборудованное покрытием. Соответственно в большинстве случаев имеющийся потенциал метана используется не в полном объеме. Происходят выбросы газа, оказывающие неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Это касается, прежде всего, установок, масса в которых отстаивается менее 100 дней.

Оплата электроэнергии по ставкам в соответствии с федеральным законом EEG не является гарантией рентабельности эксплуатации биогазовых установок. Ключ к экономическому успеху заключается в правильном выборе параметров и размеров установки в сочетании с оптимальным выбором субстратов, а также достижении высоких показателей использования установленной мощности по выработке электроэнергии при одновременной утилизации вырабатываемого тепла. Не последнюю роль играет также и квалификация специалистов предприятия, в ведении которого находится биогазовая установка.

Сегодня экология в Германии является большой политикой. Консенсус, существующий в обществе, позволяет федеральному правительству оказывать значительную поддержку отрасли. По оценке экспертов, каждый налогоплательщик выделяет на эти цели 17 евро в год, что дает определенные результаты. По словам Торстена Хердана, в ближайшие годы отрасль выйдет на международный уровень. Немецкие производители биогаза начнут работать в других странах ЕС, на внутреннем рынке Германии, вероятно, также появятся иностранные операторы.

***
Республика Беларусь не обладает большими запасами ископаемых энергоресурсов, поэтому развитие энергосбережения и биоэнергетики в наших условиях весьма актуально. Биогазовые установки уже работают на РУСП «СГЦ «Западный» Брестского района (проектная мощность — 520 кВт•ч), ОАО «Гомельская птицефабрика» (340 кВт•ч), ППЗ «Белорусский» (ранее — РУСНП «БелЗОСП») Минского района (340 и 180 кВт•ч). В эксплуатируемых биогазовых комплексах перерабатываются органические отходы.

Субстрат — это еще и ценное удобрение. Анаэробное метановое сбраживание позволяет сохранить весь азот навоза в аммонийной или органической формах. Фосфор в этих удобрениях находится в основном в виде фосфатитов и нуклеопродеитов, калий — в виде солей, что обеспечивает лучшую усвояемость.

Беларусь имеет сходные с Германией условия. Наша страна также в значительной мере зависит от внешних поставок энергоносителей. Пока в силу географического положения и партнерских отношений с Российской Федерацией белорусам удается получать относительно дешевые энергоресурсы. Тем не менее, опыт «зеленой» энергетики Германии и других стран Европы всегда будет интересен для нас. Нельзя исключать, что когда-нибудь и Беларуси придется в полной мере воспользоваться западными наработками.

Александр Клочков,
доктор технических наук,
Павел Новицкий,
кандидат технических наук,
УО «Белорусская государственная
сельскохозяйственная академия»,
Алексей Семков,
«БСХ»