CC BY
40
Клочкова Е.С.1, Харламова М.Д.2 ©
1Магистрант, кафедра экологического мониторинга и прогнозирования; 2к.х.н., доцент, зам. заведующего кафедрой экологического мониторинга и прогнозирования, Российский Университет Дружбы Народов
ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА БИОГАЗА В ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ БАЛАНСЕ РЕГИОНОВ (НА ПРИМЕРЕ АРХАНГЕЛЬСКОЙ И
УЛЬЯНОВСКОЙ ОБЛАСТЕЙ)
Аннотация
В статье исследуются перспективы и преимущества получения биогаза и электроэнергии из отходов сельского хозяйства на примере Архангельской и Ульяновской областей, а также потенциальный вклад биотоплива в топливно-энергетический баланс указанных областей.
Ключевые слова: биогаз, биотопливо, топливно-энергетический баланс, анаэробное (метановое) сбраживание.
Keywords: biogas, biofuel, fuel-and-energy balance, anaerobic (methane) digestion.
Полностью или частично безотходное производство является идеалом любого технологического процесса, который еще некоторое время назад считался абсолютно недостижимым. Перспективы использования анаэробного сбраживания позволяют достичь этой цели. Метод позволяет воплотить основную концепцию безотходного производства, а именно реализовать замкнутый цикл, организованный по аналогии с природными процессами круговорота веществ. Однако применение метанового сбраживания все еще не является широко распространенной практикой, а некоторые прикладные и технологические аспекты внедрения метода еще до конца не изучены.
В современной литературе подробно освещены разновидности инженерных сооружений - метантенков, используемых для получения биогаза, механизм анаэробного сбраживания, а также перспективы и преимущества использования метода. Как известно, получение биогаза из органических отходов основано на их свойстве выделять горючий газ в результате анаэробного сбраживания под воздействием микроорганизмов, в том числе, и метанобразующих бактерий. Биогаз, выделяющийся при метановом сбраживании, содержит около 60% метана, а его энергоемкость составляет 22 МДж на 1 м3, следовательно, он пригоден для использования в качестве топлива [1,71].
Переработка постоянного потока органических отходов методом анаэробного сбраживания обладает рядом преимуществ, как экономических и социальных, так и экологических.
Во-первых, полученный биогаз может обеспечить непосредственные потребности производства в электроэнергии, а также использоваться для подогрева воды, отопления производственных помещений, для создания необходимой температуры брожения в реакторе, для функционирования электрогенератора и других механизмов. Избыточное количество биогаза может быть реализовано, то есть подано в общую газовую сеть, чтобы удовлетворить потребности местного населения в топливе, а избыточное тепло - в тепловую сеть, для отопления жилых домов.
Во-вторых, полученные твердые продукты брожения характеризующиеся повышенным содержанием азота, могут быть использованы в качестве эффективного органического удобрения или кормовых добавок, а сама возможность их применения фактически превращает производство в безотходное и решает вопрос утилизации органических отходов.
© Клочкова Е.С., Харламова М.Д., 2013 г.
В-третьих, описанный метод полностью отвечает требованиям охраны окружающей среды и является действенным способом утилизации метана, который относится к парниковым газам.
И, наконец, внедрение биогазовых технологий способствует созданию новых предприятий, которые увеличивают региональный доход и количество рабочих мест, а также способствует экономическому росту сельских территории, взаимодействию местного населения и ведет к уменьшению зависимости от ископаемого топлива.
Однако, несмотря на очевидные преимущества метода анаэробного сбраживания, недостаточное развитие биоэнергетических технологий в целом и широкий спектр необходимых для эффективного применения метанового сбраживания факторов обуславливают ограниченное применение этого метода. Биотопливо пока еще не учитывается при составлении топливно-энергетического баланса регионов по причине кажущейся незначительности его вклада. Таким образом, возникает необходимость оценить потенциальную роль биогаза в топливно-энергетическом балансе региона. С этой целью была проанализирована потенциальная возможность использования биогаза, получаемого методом анаэробного сбраживания органических отходов сельскохозяйственного производства, на примере Архангельской и Ульяновской областей. Выбор регионов обусловлен тем, что при очевидной разнице климатических условий, обе области обладают схожей численностью населения (1185 и 1383,2 тысяч человек соответственно) [5,6], при этом сельское хозяйство не является базовой отраслью специализации Архангельской области, а Ульяновская область относится к традиционно аграрным регионам.
По итогам 2011 г. индекс развития сельского хозяйства Ульяновской области был оценен, как самый высокий в России [7]. В свою очередь, Приволжский Федеральный округ, на территории которого расположена Ульяновская область, является лидером по количеству отходов агропромышленного комплекса (табл. 1) и занимает 2-е место по потенциалу производства биогаза (табл. 2), что указывает на благоприятные условия для широкомасштабного развития биогазовых технологий в регионе.
Архангельская область, относящаяся к территории Северо-Западного ФО, который занимает предпоследнее место среди федеральных округов по количеству отходов агропромышленного комплекса (табл. 1), находится на пятом месте из семи по количеству производимого биогаза (табл. 2). В связи с этим, с экономической точки зрения, область должна рассматриваться как потенциально неблагоприятная для повсеместного внедрения технологии анаэробного сбраживания.
Следует отметить тот факт, что Ульяновская область является энергодефицитным регионом: при существующей структуре топливно-энергетического комплекса область удовлетворяет собственные потребности в электроэнергии лишь на 55,7%. Согласно прогнозам, к 2014 г. дисбаланс в выработке и потреблении электроэнергии в области еще больше увеличится, при этом производство электроэнергии составит 3017 млн кВт*ч, а потребление - 6130 млн кВт*ч [7]. Таким образом, область сможет удовлетворить собственные энергетические потребности только на 49,2%. В связи с этим увеличение выработки собственной энергии является ключевой задачей в экономическом развитии области.
Таблица 1
Общие данные по валовым ресурсам возобновляемых источников энергии по Федеральным
округам РФ [3]
Федеральный округ Отходы
АПК, млн. т. у. т. ЖКХ (твердые бытовые отходы и осадки сточных вод), млн. т. у. т.
Северо-Западный 1,7 1,095
Центральный 14,5 3,22
Южный 24,8 1,956
Приволжский 24,9 2,65
Уральский 3,35 1,049
Сибирский 11,82 1,48
Дальневосточный 0,73 0,56
Таблица 2
Возможности производства биогаза по Федеральным округам РФ [2]
Федеральные округа Производство биогаза, млрд. м3
Северо-Западный 3,5
Центральный 12,1
Южный 24,4
Приволжский 18,3
Уральский 3,1
Сибирский 11,1
Дальневосточный 1,2
ИТОГО 73,7
На основе данных Всероссийской сельскохозяйственной переписи 2006 г. [4], а также статистических данных о количестве биогаза (м3), получаемого из 1 кг сухого вещества навоза животных разных видов и из 1 кг подстилки, необходимой для содержания животных, был произведен расчет биогаза, получаемого из отходов сельскохозяйственных животных для обеих областей. Принимая в расчет термический энергетический коэффициент сгорания биогаза, равный 6,4 кВт*ч/м3, было также рассчитано количество электроэнергии, вырабатываемой из полученного биогаза. Полученные результаты приведены в табл. 3.
Таблица 3
Потенциал отходов сельскохозяйственных животных Архангельской и Ульяновской областей с точки зрения получения биогаза (по данным сельскохозяйственной переписи 2006 г.)
Вид животного Показатель Архангельская область Ульяновская область
КРС Поголовье, тыс. голов 79,3 179,7
Навоз, т/день 2775,5 6289,5
Биогаз, тыс. м3/день 123, 65 280,2
Электроэнергия, МВт*ч/день 791,36 1793,28
Свиньи Поголовье, тыс. голов 23,8 151,7
Навоз, т/день 107,1 682,65
Биогаз, тыс. м3/день 7,47 47,61
Электроэнергия, МВт*ч/день 47,81 304,7
Овцы Поголовье, тыс. голов 16,3 56,4
Навоз, т/день 40,75 141
Биогаз, тыс. м3/день 2,84 9,83
Электроэнергия, МВт*ч/день 18,18 62,91
Куры Поголовье, тыс. штук 1293,7 2286,4
Помет, т/день 219,93 388,69
Биогаз, тыс. м3/день 15,5 27,4
Электроэнергия, МВт*ч/день 99,2 175,36
Лошади Поголовье, тыс. голов 4,4 6,9
Навоз, т/день 44 69
Биогаз, тыс. м3/день 1,67 2,61
Электроэнергия, МВт*ч/день 10,69 16,7
ИТОГО Отходы, т/день 3187,28 7570,84
Биогаз, тыс. м3/день 151,13 367,65
Электроэнергия, МВт*ч/день 967,23 2352,96
Подстилка Солома, т/день 319,4 925,6
Биогаз, тыс. м3/день 79,85 231,39
Электроэнергия, МВт*ч/день 511,04 1480,9
ИТОГО (с учетом подстилки) Отходов, т/день 3506,68 8496,44
Биогаз, тыс. м3/день 230,98 599,04
Электроэнергия, МВт*ч/день 1478,27 3833,86
Согласно отчетным данным [9], в 2005 г. в Архангельской области было выработано 7112 млн. кВт*ч электроэнергии, что соответствует 19485,75 МВт*ч энергии в день, при этом было потреблено 8154,5 млн кВт*ч энергии. Как видно из табл. 3, количество энергии, которое могло быть получено в 2005 г. из отходов животноводства, составляет 7,59% от общего количества энергии, выработанного Архангельской областью на станциях РАО «ЕЭС России» промышленных ТЭЦ и других крупных установках. Таким образом, полученным количеством электроэнергии можно было полностью обеспечить нужды сельского хозяйства (энергопотребление 351,9 млн кВт*ч в 2005 г.) [9], в том числе производственные нужды, потребности освещения и бытового потребления сельского населения, а также нужды предприятий и учреждений связи. Или же, полученным количеством электроэнергии можно было полностью обеспечить бытовые потребности городского населения (551,1 млн кВт*ч в 2005 г.).
Согласно проведенным расчетам, потенциальное производство электроэнергии из биотоплива, при условии 100%-го использования полученного биогаза, могло покрыть 6,62 % всех нужд потребления области. Учитывая тот факт, что в 2005 г. в Архангельской области 1336,8 млн кВт*ч энергии было получено из сторонних источников [9], производство и использование биогаза могло бы уменьшить дефицит области в собственной энергии и на 40% снизить зависимость от импорта.
Согласно проведенным расчетам, количество электроэнергии, вырабатываемой из отходов животноводства, в Ульяновской области составляет 44,23% от выработки в 2009 г. и 24,62% от потребления [7]. При этом теоретически количество получаемого биотоплива может не только полностью удовлетворить нужды сельского хозяйства в электроэнергии, но и почти на 100% покрыть расходы крупных потребителей электроэнергии области -обрабатывающих производств или коммунального хозяйства, а также снизить зависимость от импорта энергии.
Таким образом, использование отходов сельского хозяйства для получения электроэнергии может внести существенные изменения в топливно-энергетический баланс Ульяновской области. Кроме того, по данным рейтинга регионов по уровню энергодостаточности, составленного Центром экономических исследований РИА-Аналитика, в I полугодии 2011 г. Ульяновская область находится на 49-й позиции среди 71-го региона России, а Архангельская область занимает 31-е место. Производство электроэнергии за вычетом внутреннего потребления в обеих областях оказалось отрицательным и составило -1246,6 млн кВт*ч и -572,2 млн кВт*ч соответственно [8]. Внедрение биогазовых технологий могло бы улучшить сложившуюся ситуации и снизить дефицит электроэнергии.
Таким образом, расчетное количество электроэнергии, получаемой от сжигания биогаза, в Ульяновской области в 2,6 раза превышает полученное значение по
Архангельской. Эти области сопоставимы по размеру и по численности населения, однако благоприятные климатические условия и развитое сельское хозяйство Ульяновском области очевидно предоставляют большие возможности для успешного производства и использования биогаза. Основным результатом проведенной аппроксимированной оценки является доказательство оправданности использования отходов сельского хозяйства для получения биогаза в регионах с неблагоприятными для этих целей географическими и экономическими условиями.
Литература
1. Баадер В., Доне E., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика/ Пер. с нем. и предисловие М. И. Серебряно-го— М. Колос, 1982. - 148 с.
2. Анализ возможностей и целевых показателей роста электрогенерации в России на базе ВИЭ до 2020 г. / The European Unions Tacis Programme for the Russian Federation Europe Aid/116951/C/SV/RU - 2009. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://esco.co.ua/journal/2011_8/art186.pdf
3. Биоэнергетика России в XXI веке / Российское энергетическое агентство ФГБУ РЭА Минэнерго РФ. - 2012. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://rosenergo.gov.ru/upload/bioenergy.pdf
4. Итоги всероссийской сельскохозяйственной переписи 2006 года - М.: ИИЦ «Статистика России». - 2008. - Т. 5 - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.gks.ru/ news/perepis2006/T5/tabl_t5k1 .pdf
5. Об Ульяновской области / Губернатор и Правительство Ульяновской области. - 2012. -[Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ulgov.ru/about/
6. Область / Правительство Архангельской области. - 2010. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.dvinaland.ru/region/
7. Программа развития электроэнергетики Ульяновской области до 2015 года / Министерство энергетики и жилищно-коммунального комплекса Ульяновской области. - 2010. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://tek.ulgov.ru/infos/laws/318/1069/1019/
8. Рейтинг регионов по уровню энергодостаточности в I полугодии 2011 года / РИА-Аналитика / Центр экономических исследований. - 2011. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://vid1.rian.ru/ig/ratings/energodeficit.pdf.
9. Энергетический баланс Архангельской области. Предварительный отчет / Программа ТАСК ЕС для Российской Федерации Europe Aid/120746/C/SV/RU - 2007. - [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.cenef.ru/file/Arkhangelsk%20Energy%20Balance%20(rus).pdf
