В условиях глобального энергетического кризиса и необходимости снижения выбросов парниковых газов биогазовые технологии становятся важной составляющей устойчивого энергетического развития. Преобразование органических отходов в биогаз с последующим получением электроэнергии позволяет не только обеспечить энергоснабжение, но и снизить экологическую нагрузку. Развитие систем утилизации биомассы и биогазовых установок открывает новые горизонты в области переработки отходов и энергонезависимости аграрных регионов.
Концепция получения топлива из органических отходов уходит корнями в древние времена. Уже в Древнем Китае и Индии были известны простейшие методы сбраживания навоза с выделением газа, используемого для освещения и отопления. Однако промышленное освоение биогаза началось лишь в середине XIX века. В 1895 году в Великобритании впервые был использован биогаз для уличного освещения. В XX веке, особенно после энергетических кризисов 1970-х годов, интерес к биогазовым технологиям резко возрос. Сегодня благодаря достижениям биотехнологий и автоматизации биогазовые установки стали высокоэффективными системами, позволяющими утилизировать органику и одновременно получать тепло и электроэнергию.
В основе промышленного производства биогаза лежит управляемое разложение органических веществ – биомассы. Этот процесс сопровождается распадом сложных органических соединений до простых, с выделением газов биогенного происхождения (преимущественно метана), который также влияет на климат как один из парниковых газов. Управляя этим процессом, можно получать ценный энергоноситель, пригодный для последующего преобразования в электрическую энергию.
Биогаз представляет собой газовую смесь, образующуюся при анаэробном (без доступа кислорода) брожении органического сырья. Основными её компонентами являются метан (CH4) и углекислый газ (CO2), при этом удельная теплота сгорания биогаза варьируется в пределах 5500–6500 ккал/м³. Из одного кубического метра объема ферментера можно ежедневно получать от 5 до 10 м³ газа. Полученный газ эффективно используется для генерации электроэнергии, причём часть этой энергии (около 20 %) направляется на обеспечение работы самой установки, рис. 1.
Рисунок 1 – Схема преобразования органического вещества в биогаз
Биоэнергетические установки (БЭУ), внедряемые в агропромышленных комплексах, выполняют сразу несколько функций: переработку пищевых и сельскохозяйственных отходов, снижение нагрузки на окружающую среду, а также производство биогаза и последующее получение из него электричества. Кроме этого, в процессе сбраживания образуется жидкий шлам – побочный продукт, широко применяемый как органическое удобрение или добавка к кормам. Всё это способствует экологически безопасному циклу производства.
Биомасса охватывает широкий спектр исходного сырья: от растительных остатков и навоза до водорослей и бытовых отходов. Она может быть как побочным продуктом производства, так и специально выращенным сырьем. При использовании целевых сельхозкультур, получивших название «энергетические растения», создаётся устойчивый источник топлива, независимый от рыночных колебаний и конкуренции с продовольственными направлениями, рис. 2.
Рисунок 2 – Возможное топливо для биоэнергетических установок
Следует отметить, что внедрение БЭУ в производственный цикл позволяет одновременно решать несколько ключевых задач:
- эффективная переработка отходов вблизи мест их образования, что снижает экологические риски и способствует охране окружающей среды;
- создание энергетической автономности на базе возобновляемых источников, снижая зависимость от внешних поставок топлива;
- производство органических удобрений с минимальными затратами.
Ключевая проблема биоэнергетики — потребность в земельных ресурсах, которые могли бы использоваться для продовольственных культур. Несмотря на это, специализированные культуры, предназначенные исключительно для производства энергии, позволяют сократить этот конфликт, ведь такие растения не используются в пищевой промышленности.
Современные технологии БЭУ всё чаще базируются на применении герметичных биореакторов нового поколения, где поддерживается постоянное давление газа. Кроме того, применяются специальные катализаторы и биологически активные добавки, ускоряющие метановое сбраживание. Это позволяет достичь высокой скорости переработки сырья и, как следствие, увеличения выхода биогаза.
Видовое разнообразие биотоплива обуславливает его деление на твёрдое, жидкое и газообразное. Перспективным считается жидкое биотопливо, получаемое из сельскохозяйственного сырья (сахарный тростник, свекла, кукуруза, рапс). К нему относят биодизель, биоэтанол и биометанол. Особенно широкое применение находит биоэтанол – он может использоваться в двигателях внутреннего сгорания.
Газообразные формы биотоплива – биогаз и биоводород – образуются при термохимической или биохимической переработке органики. Источником служат как животные и растительные отходы, так и иловые осадки очистных сооружений. При соответствующей очистке и подготовке биогаз может эффективно заменить природный газ в бытовом и промышленном применении.
Среди твёрдых биотоплив наибольшую популярность получили прессованные гранулы из биомассы, обладающие высокой энергетической плотностью. Они удобны в транспортировке и хранении, а также позволяют автоматизировать процессы сжигания. Такие виды топлива активно применяются в котельных установках, на ТЭС и в когенерационных системах, где получают как тепло, так и электроэнергию, табл. 1.
Таблица 1 — Промышленные формы твердого топлива (биомассы)
| Промышленная форма | Типичный размер | Общие производственные процессы |
| Крупномерная древесина (цельные деревья) | Более 500 мм | Материал в естественном виде, включая надземную и подземную части |
| Древесные щепки, измельченные фрагменты | 5…100 мм | Процесс резки и механического дробления с использованием острых режущих инструментов |
| Кругляк, поленья (дровяная форма) | 100…1000 мм | Разделение древесины посредством рубки, пиления и нарезания |
| Кора древесная | Нестабильный размер | Образуется как побочный продукт, возможно дополнительное измельчение |
| Древесная пыль, мука | Менее 1 мм | Получается в результате тонкого измельчения (помола) |
| Тырса | 1…5 мм | Возникает при распиле древесины на станках |
| Стружка | 1…30 мм | Формируется при строгании древесных изделий |
| Топливные брикеты | Диаметр > 25 мм | Изготавливаются методом прессования под давлением |
| Гранулированное топливо (пеллеты) | Диаметр < 25 мм | Прессуется аналогично брикетам |
| Тюки (малые, прямоугольные) | 0,1 м3 | Уплотнение материала с последующей перевязкой для транспортировки |
| Тюки (крупные, прямоугольные) | 3,7 м3 | Метод тот же, что и для меньших форм |
| Тюки (рулонные, круглые) | 2,1 м3 | Используется аналогичная технология прессования |
| Солома, трава (измельчённые формы) | 10…200 мм | Дробление осуществляется во время уборочных работ |
| Зерновые культуры, семена, ядра | Разнообразные размеры | Используются без дополнительной сушки или уплотнения |
| Волокнистый остаток (макуха) | Неоднородный размер | Получается сушкой растительных отходов с волокнистой структурой |
Твердая биомасса может значительно различаться по физико-химическим параметрам, что требует индивидуального подхода к конструкции топочных агрегатов. В зависимости от формы и габаритов частиц, применяется оборудование различного типа, адаптированное к конкретной биомассе.
В таблице 2 представлена структура различных видов биомассы и их вклад в общий ресурс. Объем использования древесного топлива достиг 0,845 млн тонн у.т., что соответствует приблизительно 43 % от всего потенциала древесной биомассы (100 % = 1970 тыс. т у.т.).
Таблица 2 — Потенциал различных видов биомассы
| Вид биомассы | Теоретический потенциал, млн тонн |
Доступная доля для получения энергии, % |
Экономически целесообразный потенциал, млн т у.т. |
| Солома зерновых растений | 30,6 | 40 | 4,54 |
| Солома рапса | 4,2 | 40 | 0,84 |
| Побочные остатки кукурузного производства (стебли, кочерыжки) | 40,2 | 40 | 4,39 |
| Отходы подсолнечника (корзинки, стебли) | 20,9 | 40 | 1,72 |
| Сельхозвторсырьё (шелуха, жом и пр.) | 6,8 | 63 | 0,69 |
| Лесная биомасса (дрова, остатки после рубки, отходы обработки) | 4,6 | 96 | 1,97 |
| Биодизель (из рапса) | — | — | 0,47 |
| Биоэтанол (из кукурузы, сахарной свёклы) | — | — | 0,99 |
| Метан из отходов агропромышленного комплекса | 1,6 млрд м3 СН4 | 50 | 0,97 |
| Метан из сточных вод (коммунальных и промышленных) | 1,0 млрд м3 СН4 | 23 | 0,27 |
| Энергетические растения: | |||
| — тополь, верба, клён (ясень) | 11,5 | 90 | 6,28 |
| — кукуруза (для производства биогаза) | 3,3 млрд м3 СН4 | 90 | 3,68 |
| Торф как альтернативный ресурс | — | — | 0,4 |
| Суммарный потенциал (млн т у.т.) | 27,47 | ||
Сельскохозяйственная биомасса остаётся одним из наиболее доступных и экономичных источников возобновляемой энергии, особенно в регионах с развитым агропроизводством.
Дополнительное увеличение доли использования древесных материалов возможно при создании специализированных энергетических плантаций, а также при расчистке лесозащитных полос вдоль дорог, полей и магистралей.
На каждом гектаре таких насаждений можно ежегодно заготавливать до 20 тонн сухой древесины, что эквивалентно 10,6 т у.т. Теплотворная способность абсолютно сухой древесины составляет порядка 3700 ккал/кг, что делает её конкурентоспособной по сравнению с природным газом, обладающим теплотой сгорания около 8250 ккал/кг. Структурное распределение древесного биоресурса проиллюстрировано на следующем изображении.
Рисунок 3 – Потенциал получения древесной биомассы из разных источников, в % (тыс. т у.т.)
Хотя биотопливо неспособно полностью заменить традиционные источники энергии на основе углеводородов, оно представляет собой эффективное решение для локального применения, особенно в частных домохозяйствах и малых фермерских хозяйствах.
Преимущества использования биогаза:
- Рациональное использование органических отходов (снижение загрязнения окружающей среды);
- Получение энергии из возобновляемого и дешёвого сырья;
- Снижение зависимости от ископаемых видов топлива;
- Производство органических удобрений в виде побочных продуктов;
- Возможность автономной энергетики в сельском хозяйстве и удалённых районах.
Недостатки:
- Необходимость значительных стартовых инвестиций в инфраструктуру;
- Требования к постоянному контролю параметров брожения;
- Потребность в квалифицированном обслуживающем персонале;
- Ограниченность производительности в зависимости от наличия сырья;
- Возможность выбросов неприятных запахов при нарушении герметичности или технологии.
Интересные факты:
-
Биогаз может использоваться в автомобилях вместо природного газа после соответствующей очистки, превращаясь в биометан.
-
Германия — мировой лидер по числу биогазовых установок, их в стране более 9 тысяч.
-
Китайцы начали массово использовать биогаз в сельских домах ещё в 1950-х годах, что сыграло важную роль в электрификации деревень.
-
Калорийность очищенного биометана сопоставима с природным газом, что делает его конкурентоспособным по теплотворной способности.
-
В некоторых странах биогаз подаётся в общую газовую сеть, наряду с природным газом, после стандартизированной очистки.
Получение электроэнергии из биогаза — это не просто способ утилизации отходов, а перспективное направление устойчивой энергетики. Современные технологии позволяют эффективно перерабатывать самые разнообразные органические материалы, обеспечивая получение тепла и электричества при минимальной нагрузке на окружающую среду. В условиях роста цен на энергоресурсы и экологических требований биогазовые установки становятся неотъемлемой частью «зелёной» энергетики будущего, особенно в сельскохозяйственных и удалённых регионах. Интеграция таких систем в энергетику способствует не только повышению энергонезависимости, но и экологическому оздоровлению планеты.
