Российский опыт внедрения биогазовых технологий для производства электрической и тепловой энергии

журнал «Новости теплоснабжения» № 8 (август) 2011 г.

Преимущества биогазовых технологий

В настоящее время технологии переработки биологического сырья нашли широкое применение для решения проблемы утилизации органических отходов, уменьшения загрязнения окружающей среды, а также получения альтернативного источника энергии.

Биогаз, образующийся в специальных реакторах-ферментерах, является естественным продуктом распада, возникающим в процессе анаэробного сбраживания органических веществ, и по своим характеристикам и эффективности использования не уступает природному газу. Состав биогаза: CH₄ – 45-87%, CO₂ – 13-55%, незначительные примеси H₂ и H₂S. После очистки биогаза от СО₂ получается биометан – полный аналог природного газа (отличие только в происхождении). Теплота сгорания биогаза составляет 20-27 МДж/м³, биометана – 35-40 МДж/м³.

Необходимым условием получения биогаза является наличие в биомассе метаногенов (methanogens) – бактерий, которые образуют метан как побочный продукт метаболизма в бескислородных условиях. Они широко распространены в заболоченных территориях, где образуют метан (болотный газ) и в кишечниках жвачных млекопитающих и человека.

В качестве сырья для производства биогаза могут быть использованы отходы животноводческих ферм, а также любая органическая масса (корма, отходы бойни, рыбного цеха, пищевого производства). В таблице приведены основные показатели биогазовой станции, оборудованной когенерационной энергоустановкой, в зависимости от типа утилизируемых отходов.

Кроме биогаза в биореакторах получают органическое удобрение, которое может быть использовано непосредственно в полевом севообороте, тепличных хозяйствах, либо в качестве экспортного продукта.

Применение биогазовых технологий позволяет решить ряд экологических проблем:

• уменьшается количество выбросов метана в атмосферу (по некоторым данным, метан оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильное, чем СО₂, и находится в атмосфере 12 лет);
• отсутствуют загрязнения воздушного бассейна, почвы и грунтовых вод в районе агропромышленного предприятия;
• происходит существенное сокращение санитарно-защитной зоны вокруг агропромышленного предприятия;
• происходит обеззараживание органических отходов животноводства и птицеферм;
• становится возможным замещение части минеральных удобрений и гербицидов при использовании готовых органических удобрений.

Таблица. Основные показатели работы биогазаовой станции в зависимости от типа утилизируемых отходов

Тип сырья	Отходы молочной фермы	Отходы свинофермы	Отходы птицефермы	Отходы бойни	Свекольный жом
Поголовье, ед.	5 800	50 000	580 000	-	-
Влажность отходов, %	85	88	75	90	75
Выход отходов, т/сут.	319	300	116	28	180
Выход биогаза, м3/сут.	14 355	14 400	14 500	14 000	14 445
Содержание метана, м3	55	58	62	63	54
Выход жидких органических удобрений, т/сут.	306,2	288	111,4	26,8	172,8
Электрическая мощность когенерационной установки, МВт	1,2	1,2	1,21	1,17	1,2
Тепловая мощность когенерационной установки, МВт	1,44	1,44	1,45	1,4	1,44

Биогазовый энергокомплекс

В ноябре 2009 г. в России была введена в эксплуатацию первая биогазовая станция промышленного масштаба, расположенная в дер. Дошино Медынского района Калужской области. Весь срок реализации проекта занял чуть более года. Станция построена в непосредственной близости к молочно-товарной ферме. Сырьем послужили органические отходы крупного рогатого скота, остатки кормов, силос. Станция ежедневно перерабатывает 120 м³ отходов. В ближайшее время утилизации будут подвергаться и отходы бойни (после того, как цех заработает в полную силу).

Биогазовый комплекс включает в себя оборудование для подготовки сырья, метантенки анаэробного сбраживания со встроенными газгольдерами, когенерационную установку (электрическая мощность – 320 кВт, тепловая – 400 кВт), оборудование по очистке газа, резервуары для хранения органического удобрения, а также системы контроля и управления.

Навоз поступает от фермы в пункт приема стоков, где установлен центробежный насос с измельчающим и перемешивающим устройством. Основная цель этого оборудования – измельчение, гомогенизация и подача сырья в метантенки. В герметичных метантенках при температуре сбраживания 38 °С в бескислородной среде и периодическом щадящем перемешивании при участии метанобразующих бактерий происходит биохимический процесс сбраживания с образованием горючего биогаза (CH₄ – 60-70%, СО₂ – 28-38%). Биогаз поступает в газгольдеры, а перебродившая биомасса через сливной трубопровод синхронно с подачей удаляется из реактора (в том же количестве, как и подается в него) в хранилище, откуда в дальнейшем берется для использования в качестве органического удобрения.

При утилизации различного субстрата может возникнуть проблема высокой концентрации сероводорода в составе биогаза. С целью недопущения токсичной концентрации сероводорода в биомассе метантенка и дополнительного снижения его содержания в составе биогаза могут использоваться различные варианты десульфурации, например: на первом этапе – добавление солей железа в емкость для смешивания и гидролиза; на втором этапе (после метантенка) – использование механического фильтра.

Для очистки газа на биогазовой станции в дер. Дошино применяется сероочистная установка для биологического обессеривания, обеспечивающая высокую степень очистки от серы без химических добавок и дополнительных затрат на утилизацию. Этот модуль позволяет снизить содержание сероводорода, образующегося в процессе деятельности микроорганизмов в биогазе, а следовательно, увеличить срок службы биогазовой установки. Затем используется конденсатор-сборник и фильтр очистки газа.

Состав биогаза на данной станции после очистки: CH₄ – до 70%, СО₂ – около 30%, а теплота сгорания – 35-40 МДж/м³.

Когенерационный энергоблок состоит из двух газопоршневых установок на базе двигателей зарубежного производства и системы утилизации тепла охлаждающей жидкости и выхлопных газов двигателей. Энергоблок полностью обеспечивает биогазовую станцию и ферму электрической и тепловой энергией (для технологии, отопления, ГВС) как в летний, так и в зимний период.

Электрический КПД газопоршневой установки составляет 39%, а при комбинированной выработке тепловой и электрической энергии – 89%.

Когенерационный блок способен работать и на природном газе, также существует резервная линия подачи электроэнергии из общей сети, на случай перебоев в подаче биогаза. Все это позволяет достичь максимальной эффективности и бесперебойности электроснабжения объекта.

 Опыт проектирования и эксплуатации

При проектировании теплоэлектростанции на биогазе за основу была взята европейская технология и адаптирована к российским условиям. Во-первых, были установлены мощные измельчители органических отходов, полностью изменена система автоматики. Во-вторых, пришлось вносить много изменений, чтобы приспособить работу станции к изменчивости характеристик химического состава навоза и, как следствие, колебаний метанового числа (характеризующего детонационную стойкость газообразного топлива – прим. ред.) – от 38 до 70. При низких значениях метанового числа станция просто отключалась. Сейчас же удалось добиться постоянного содержания более 70% метана в газе, что обеспечивает четкую устойчивую работу и постоянный выход электроэнергии и тепла.

Что касается энергетической и тепломеханической частей установки, то их пришлось переделывать полностью, т.к. изначальные параметры не адаптированы к российским нормативам и надзорные органы просто не допустили бы станцию к эксплуатации.

Испытанием для биогазовой станции стала суровая зима 2009 г., когда температура опускалась до –40 °С: замерзал субстрат, шло расслоение газа.

В результате пришлось провести работы по дополнительному утеплению трубопроводов и самих метантенков, установить электрические котлы для обеспечения более стабильной нагрузки на газопоршневые установки и снабжения потребителей дополнительной тепловой энергией при низком потреблении электроэнергии. Все это удалось сделать, не останавливая работу биоэнергостанции.

Летом 2010 г. температура достигала уже +43 °С, но, благодаря усовершенствованию технических и технологических узлов, сбоев в работе станции не было. Надо отметить, что южноевропейские компании, эксплуатирующие биогазовые стации, легко справляются с жарой, но никак не с такими перепадами температуры. Станции, работающей в аналогичных климатических условиях (от –40 до + 40 °С), в мире больше нет. На базе биогазовой станции в дер. Дошино планируется создание опытного полигона и научного центра, где будут производиться работы по повышению эффективности биогазового процесса.

В работе биогазового комплекса задействовано минимальное количество персонала: для выполнения необходимых ежедневных технологических операций одному оператору требуется не более 2-4 ч в день; техническое обслуживание и ремонтные работы проводит сервисная организация по договору.

Величина капитальных затрат на строительство биогазового комплекса зависит от варианта исполнения и комплектации комплекса, типа перерабатываемого сырья, требуемой мощности и выбранной технологии, а также месторасположения и климатических условий. Удельные капитальные затраты на подобные комплексы («под ключ»; включая мини-ТЭС на базе когенерационной установки) составляют 3,5-5 млн евро на 1 МВт установленной электрической мощности.

Источники выручки биогазового комплекса варьируются в зависимости от особенностей биогазовой установки и потребностей предприятия агропромышленного комплекса. В общем виде источники доходов биогазового комплекса – это прямые доходы от реализации биогаза и его производных и составляющих (метан, углекислый газ); доходы от вырабатываемой электро- и теплоэнергии для поставки в сеть или сторонним потребителям; доходы от применения/продажи высокоэффективных органических биоудобрений и кормовых добавок в рацион животных.

Кроме того, возможны дополнительные доходы за счет утилизации отходов предприятия (отсутствие платы и штрафов за хранение), сокращения затрат на покупку минеральных удобрений и гербицидов, реализации единиц сокращения выбросов парниковых газов, а также повышения стоимости конечной продукции предприятия агропромышленного комплекса за счет «экологического бонуса».

Строительство биогазовой установки в дер. Дошино – это пилотный инвестиционный проект. Средняя окупаемость подобного рода комплексов при условии реализации всех получаемых продуктов (электро- и теплоэнергии, биоудобрения) составляет около 4-5 лет. Однако в отсутствии надлежащей поддержки со стороны государства эти цифры увеличиваются.

Проблемы и перспективы биогазовых технологий в России

Общий объем органических отходов в России за год составляет около 624,5 млн т (по данным 2005 г.: 225 млн т по сухому веществу). Потенциальное производство биогаза в год – до 72 млрд м³, что соответствует производству до 172500 ГВт×ч электрической и до 207100 ГВт×ч тепловой энергии в год.

Развитие биогазовых технологий в комплексе с когенерационными установками позволит:

• утилизировать и перерабатывать органические отходы;
• на вновь строящихся объектах исключить огромные затраты на оплату технологического подключения к централизованным сетям;
• обеспечить бесперебойность электро- и теплоснабжения собственного производства;
• снизить ущерб от «некачественной» энергии, аварийного выхода из строя оборудования и недоотпуска продукции;
• получить экологичный энергоноситель и снизить антропогенную нагрузку на экосистемы;
• увеличить прибыль за счет снижения затрат на покупку тепловой и электрической энергии;
• получить экологичное и высококачественное органическое удобрение;
• получить экологически чистую продукцию растениеводства и животноводства, тем самым, сохранив здоровье населения.

На сегодняшний день есть ряд проблем, не позволяющих в полной мере внедрить проекты в массовое производство, и среди них:

• недостаточное внимание со стороны государственных структур (отсутствие стимулирующих мер, в частности принятия «зеленых» тарифов для поставщиков электроэнергии, полученной из биогаза);
• отсутствие систем стимулирования бизнеса в данной области (несоблюдение законодательных норм в области хранения и утилизации отходов, отсутствие реально работающей системы административных наказаний);
• недостаточное внимание к проблеме получения экологически чистой продукции, не наносящей вред здоровью.

Несмотря на все сложности внедрения биогазовых проектов, и учитывая значимость их энергетических и экологических сторон, рассматривается возможность строительства биогазовых станций с собственным инвестированием корпорации. Отобрано более десятка объектов для долгосрочного инвестирования и строительства биогазовых установок в качестве тиражируемых проектов. Так, например, достигнуто соглашение об инвестировании 3-4 млрд руб. в проекты биогазовых электростанций в Белгородской обл. Всего же запланировано строительство как минимум 20 биоэлектростанций в ближайшие два года.