CC BY
26DOI 10.47576/2712-7516_2021_2_1_29 УДК 620.95
БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ОРГАНОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА НА ПРИМЕРЕ ТЮМЕНСКОЙ ОБЛАСТИ
Кадысева Анастасия Александровна,
доктор биологических наук, доцент, профессор кафедры водоснабжения и водоотведения, Тюменский индустриальный университет, Россия, г. Тюмень, e-mail: kadyseva@mail.ru
Козловцева Ольга Сергеевна,
кандидат биологических наук, доцент кафедры биологии, географии и методики их преподавания, Тюменский государственный университет, Россия, г. Тюмень, e-mail: ok-007@mail.ru
В статье анализируется и оценивается потенциал имеющихся видов органосодержащих отходов агропромышленного комплекса (АПК) на территории Тюменской области как источника биомассы для последующего производства биометановой электроэнергии. Анализ содержит оценку количества потенциально доступной биомассы отходов АПК. Оценка биомассы основана на обработке данных, приведенных в программах развития отраслей региона, и годовых отчетов, размещенных в открытом доступе. В работе выполнены расчеты по определению объемов биогаза и выработке получаемой электроэнергии с учетом перспективы развития области. Исследования показали, что производство биогаза из отходов позволит получать прибыль не только от реализации и потребления на собственные нужды электроэнергии, но и решит проблемы, связанные с утилизацией и хранением отходов, загрязнением окружающей среды и экономической стабильностью.
Ключевые слова: биоэнергетика; биогаз; органические отходы; биомасса.
UDC 620.95
BIOENERGETIC POTENTIAL OF ORGANIC WASTE FROM THE AGRO-INDUSTRIAL COMPLEX ON THE EXAMPLE OF THE TYUMEN REGION
Kadyseva Anastasia Aleksandrovna,
Doctor of Biological Sciences, Associate Professor, Professor of the Department of Water Supply and Wastewater Disposal, Tyumen Industrial University, Russia, Tyumen, e-mail: kadyseva@mail.ru
Kozlovtseva Olga Sergeevna,
Candidate of Biological Sciences, Associate Professor of the Department biology, geography and methods of teaching them, Tyumen State University, Russia, Tyumen, e-mail: ok-007@mail.ru
The article analyzes and evaluates the potential of the existing types of organic waste from the agro-industrial complex (AIC) in the Tyumen region as a source of biomass for the subsequent production of biomethane electricity. The analysis contains an estimate of the amount of potentially available biomass of agro-industrial complex waste. The biomass estimate is based on the processing of data provided in the programs for the development of industries in the region and annual reports posted in the public domain. In the work, calculations were made to determine the volume of biogas and the generation of the resulting electricity, taking into account the prospects for the development of the region. Studies have shown that the production of biogas from waste will make it possible to profit not only from the sale and consumption of electricity for their own needs, but also solve the problems associated with the disposal and storage of waste, environmental pollution and economic stability.
Keywords: bioenergy; biogas; organic waste; biomass.
НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ
Во всем мире биомасса рассматривается как потенциальный источник возобновляемой энергии. Источники биомассы доступны и позволяют производить энергию по разумным ценам [10]. Помимо этого, использование биомассы способствует социально-экономическим изменениям, таким как создание новых рабочих мест, сохранение природных ресурсов, снижение экологической нагрузки на окружающую среду [7].
Однако до сих пор доля возобновляемых источников энергии в мировом энергетическом балансе низкая - приблизительно 14 %, и вклад биомассы составляет около 1,8 % [1].
В научной области все чаще используется парадигма «отходы как ресурс», которая, например, привела к включению оценок рыночного спроса на конечные продукты, полученные из биоотходов [8].
Согласно исследованиям, проведенным различными организациями, возобновляемые источники энергии по сравнению с ископаемыми ресурсами создают больше рабочих мест, что может быть одной из разумных причин инвестирования в биомассы [7]. Таким образом, бизнесмены могут делать ставку на новые модели производства. Производство возобновляемой энергетики служит примером перехода к зеленой экономике [11].
С одной стороны, мы имеем то, что в Тюменской области сосредоточена основная часть запасов нефти и газа страны, регион является главным поставщиком углеводородного сырья как в России, так и в странах Западной и Восточной Европы. Но, с другой стороны, динамическое развитие агропромышленного комплекса, увеличение численности населения порождают новую проблему - утилизацию отходов.
Разнообразный вид отходов создает различные экологические проблемы, такие как выбросы парниковых газов в атмосферу, загрязнение воды и почвы [9].
В качестве сырья для производства биогаза можно использовать широкий спектр органических отходов: навоз животных, отходы пищевой промышленности, энергетические культуры и уборочные остатки [10].
Цель работы - провести анализ образующихся органосодержащих отходов на территории Тюменской области как потенциальный источник производства возобновляемой энергии.
В качестве региона выбран один из крупных регионов страны - Тюменская область.
К основным источникам органических отходов относятся агропромышленный комплекс и предприятия пищевой промышленности.
Органические отходы под воздействием анаэробных процессов превращаются в био-газ (метан, СН4) и его наиболее окисленное состояние (диоксид углерода, С02). Помимо СН4 (55-60%) и С02 (35-40 %), биогаз также содержит несколько других газообразных «примесей», таких как сероводород, азот, кислород и водород [2; 3].
В данном исследовании за основу была принята методологическая база исследований процесса анаэробной утилизации органических отходов, которая представляет собой многоступенчатую структуру, состоящую:
- из оценки объемов органических отходов, формирующихся на территории исследования;
- подбора существующих общепринятых и рекомендуемых методик под конкретный вид отходов (отходы животноводства, отходы пи -щевой промышленности и т. д.);
- теоретической оценки объема выхода биогаза из конкретных источников и потенциальной прибыли от реализации электрической энергии на данной территории с учетом тарифной политики.
Агропромышленный комплекс (АПК) региона интенсивно развивается и является важной составляющей в экономике и социальной сфере региона, темпы роста производства сельскохозяйственной продукции одни из самых высоких в Уральском федеральном округе. Политика Тюменской области направлена на увеличение объемов продукции агропромышленного комплекса [4], что ведет к увеличению объемов органических отходов.
Помимо получения биогаза из органических отходов АПК можно учитывать прибыль от продажи удобрений, производства электрической энергии вблизи потребителей, что снижает эксплуатационные расходы [13].
В состав регионального АПК входит 410 сельскохозяйственных предприятий, 26 предприятий пищевой и перерабатывающей промышленности и 6 предприятий мукомоль-но-крупяной и комбикормовой промышлен-
ности. Сельскохозяйственную продукцию производят свыше 1800 крестьянско-фер-мерских хозяйств и более 400 предприятий различных форм собственности. Объемы производства сельскохозяйственной продукции в регионе составляют 50 % от размера промышленного производства [4].
Для выполнения расчета количества отходов учитывались данные подпрограммы «Развитие агропромышленного производства Тюменской области» на 2013-2020 годы [4]. В табл. 1 представлена информа-
Таблица 1 - Основные показатели
ция о поголовье скота и птицы в Тюменской области.
Количество биогаза от животноводства зависит от ряда факторов: это вид животного, масса животного, отношение общего количества твердых веществ в навозе, способа содержания, вида кормов и др. Все расчеты по определению объемов органических отходов от животноводства проводились согласно «Нормам технологического проектирования систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета».
,/хода биогаза от животноводства
Тип сырья КРС, молочное стадо Свиньи Куры Козы
Поголовье, ед. 197 000 102 000 6 700 000 2 500
Средний выход органических отходов с одной головы, кг/сут. 35 6 0,2 2,5
Влажность органических отходов, % 88 88 75 65
Выход органических отходов т/сут. 17 336 8976 502 500 162,5
Выход биогаза л/кг 25-30 50-70 50-60 25-30
Выход газа (м3 на килограмм сухого вещества) 0,250-0,340 0,340-0,580 0,200-0,300 0,3-0,62
Выход биогаза, м3/ сут. 520 080 538 560 27 637 500 4875
Источник: расчеты автора на основе «Норм технологического проектирования систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета» (URL: http://docs.cntd.ru/document/1200032480).
Согласно открытым данным администрации Тюменской области, в 2020 г. в сфере пищевой и перерабатывающей промышленности действовало 326 предприятий различных форм собственности [4].
Отходы предприятий пищевой промышленности сваливаются в могильники, вывозятся на полигоны ТБО, сжигаются либо из них производится мясокостная и рыбокостная мука. Для их обезвреживания применяются сложные экологически и экономически обо-
снованные технологии, которые включают различные методы очистки (механические, физико-химические и биологические) [12].
Объемы отходов предприятий пищевой промышленности и растениеводства были приняты согласно данным «Справочника по ресурсам возобновляемых источников энергии России и местным видам топлива / показатели по территориям» [5]. Расчеты по определению объема биогаза сведены в табл. 2.
Таблица 2 - Основные показатели выхода биогаза отходов растениеводства и перерабатывающей
промышленности по Тюменской области
Тип сырья Солома, стебли Картофель Овощи Мясоперерабатывающие предприятия
Средний выход органических отходов, кг/сут. 3201 727 221 34
Выход биогаза л/кг 200... 300 280... 490 400... 500 230
Выход биогаза, м3/ сут. 800 290 100 8
Источник: расчеты автора на основе данных «Справочника по ресурсам возобновляемых источников энергии России и местным видам топлива / показатели по территориям».
Таблица 3 - Потенциальный экономический эффект от реализации электроэнергии, полученной от переработки отходов
Показатели Отходы АПК
Объем биогаза м3/сут 287 010 015
Количество электроэнергии (кВтчас/сут), получаемой с помощью турбогенераторов мощностью 60 кВт 782 754 586
Затраты на электроэнергию, при потреблении из централизованных источников электроснабжения такого же объема* (тыс. рублей в сутки) 1 980 369
То же за год (тыс. рублей в сутки) 722 834 722
*Среднее значение для Тюменской области в 2021 г 2,53 руб. за 1 кВт.ч
В результате выполненных расчетов получены данные по перспективным объемам выхода биогаза из органосодержащих отходов на территории Тюменской области, что эквивалентно 722 млрд руб. в год без учета инвестиционных затрат на оборудование.
Проведенный анализ показал, что одним из направлений в решении экологических проблем может стать утилизация органических отходов АПК в качестве источника возобновляемой энергии.
Выполненные расчеты по определению объемов биогаза и выработке получаемой электроэнергии с учетом перспективы развития Тюменской области показали, что на отходах возможно получать финансовые
выгоды. Стоимость электрической энергии, получаемой из биогаза, в перспективе может достигать 7 236 032 млн руб. в год.
Возобновляемые источники энергии на основе производства биогаза являются обязательным условием зеленой экономики. Создание установок по переработке биогаза возможно рассматривать как один из элемн-тов развития новой сферы предпринимательства.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-010-00996 (Acknowledgments: The reported study was unded by RFBR, project number 20-010-00996).
Список литературы _
1. Голованова, А. Е. Энергетическая политика Европейского Союза в области возобновляемой энергетики / А. Е. Голованова, Г Б. Полаева, Э. А. Нурматова // Инновации и инвестиции. - 2018. - № 11. - URL: https:// cyberleninka.ru/article/n/energeticheskaya-politika-evropeyskogo-soyuza-v-oblasti-vozobnovlyaemoy-energetiki (дата обращения: 16.02.2021).
2. Кадысева, А. А. Влияние температуры на анаэробное сбраживание органического субстрата / А. А. Кады-сева, Р. М. Гильмутдинов, С. В. Безухова, А. С. Тарапатова, В. В. Токарев // Вестник ОмГАУ. - 2013. - № 3(11). -С. 35-38.
3. Кадысева, А. А. Энергетические характеристики анаэробных систем обработки органосодержащих сточных вод и осадка очистных сооружений / А. А. Кадысева // Безопасность жизнедеятельности. - 2008. - № 9. -
C. 36-38.
4. Официальный сайт Администрации Тюменской области. - URL: https://admtyumen.ru (дата обращения: 17.08.2020).
5. Справочник по ресурсам возобновляемых источников энергии России и местным видам топлива (показатели по территориям) / под ред. П. П. Безруких. - Москва : ИАЦ Энергия, 2007. - 272 с.
6. Ghiani, G. Operations research in solid waste management: A survey of strategic and tactical issues / G. Ghiani,
D. Laganä, E. Manni, R. Musmanno, D. Vigo // Computers & Operations Research. - 2014. - № 44. - P. 22-32. doi:10.1016/j.cor.2013.10.006 (дата обращения: 10.07.2020).
7. Khelidj, B. Biogas production potential in Algeria: Waste to energy opportunities / Khelidj B., Abderezzak B. & Kellaci A // International Conference on Renewable Energies for Developing Countries (REDEC). - 2012. doi:10.1109/ redec.2012.6416703.
8. Lohri, C. R. Treatment technologies for urban solid biowaste to create value products: a review with focus on low-and middle-income settings / C. R. Lohri, S. Diener, I. Zabaleta, A. Mertenat, C. Zurbrügg // Reviews in Environmental Science and Bio/Technology. - 2017. - 16(1). - P. 81-130. doi:10.1007/s11157-017-9422-5 (дата обращения: 10.07.2020).
9. Özer, B. Biogas Potential of Animal Wastes for Electricity Generation in Ardahan City of Turkey / B. Özer // Causes, Impacts and Solutions to Global Warming. - 2013. P. 697-707. doi:10.1007/978-1-4614-7588-0_36 (дата обращения: 10.07.2020).
10. Romero-Güiza, M. The role of additives on anaerobic digestion: A review / M. Romero-Güiza, J. Vila, J. Mata-Alvarez, J. Chimenos & S. Astals // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016. № 58. P. 1486-1499. doi:10.1016/j. rser.2015.12.094 (дата обращения: 10.07.2020).
11. S. Venkata Mohan, Sunita Varjani, Deepak Pant, Michael Sauer, Jo-Shu Chang,Circular bioeconomy approaches for sustainability,Bioresource Technology,Vol. 318, 2020, 124084. doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124084 (дата обращения: 10.07.2020).
12. Semenova, E. I. Biodegradation of pollutants in the effluents of food industry enterprises / E. I. Semenova, T. L. Tkachenko, N. A. Bublienko // Journal of Water Chemistry and Technology. - 2013. - 35(2). - P. 86-90. doi:10.3103/ s1063455x13020070 (дата обращения: 10.07.2020).
13. Silva, S. An Integrated Approach for Efficient Energy Recovery Production from Livestock and Agro-Industrial Wastes / S. Silva, A. C. Rodrigues, A. Ferraz, J. Alonso // Waste Biomass Management - A Holistic Approach. - 2017. -P. 339-366. doi:10.1007/978-3-319-49595-8_15
References _
1. Golovanova A.E., Polaeva G.B., Nurmatova E'.A. E'nergeticheskaya politika Evropejskogo Soyuza v oblasti vozobnovlyaemoj e'nergetiki, Innovacii i investicii, 2018, no. 11. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/energeticheskaya-politika-evropeyskogo-soyuza-v-oblasti-vozobnovlyaemoy-energetiki (data obrashheniya: 16.02.2021).
2. Kady'seva A.A., Gil'mutdinov R.M., Bezuxova S.V., Tarapatova A.S., Tokarev V.V. Vliyanie temperatury' na anae'robnoe sbrazhivanie organicheskogo substrata, Vestnik OmGAU, 2013, no. 3(11), pp. 35-38.
3. Kady'seva A.A. E'nergeticheskie xarakteristiki anae'robny'x sistem obrabotki organosoderzhashhix stochny'x vod i osadka ochistny'x sooruzhenij, Bezopasnost' zhiznedeyatel'nosti, 2008, no. 9, pp. 36-38.
4. Oficial'ny'j sajt Administracii Tyumenskoj oblasti. URL: https://admtyumen.ru (data obrashheniya: 17.08.2020).
5. Spravochnik po resursam vozobnovlyaemyx istochnikov e'nergii Rossii i mestny'm vidam topliva (pokazateli po territoriyam) / pod red. P.P. Bezrukix. Moskva : IACz E'nergiya, 2007, 272 p.
6. Ghiani G., Lagana D., Manni E., Musmanno R., & Vigo, D. Operations research in solid waste management: A survey of strategic and tactical issues, Computers & Operations Research, 2014, 44, 22-32. doi:10.1016/j.cor.2013.10.006 (data obrashheniya: 10.07.2020).
7. Khelidj B., Abderezzak B., & Kellaci A. Biogas production potential in Algeria: Waste to energy opportunities. 2012 International Conference on Renewable Energies for Developing Countries (REDEC). doi:10.1109/redec.2012.6416703.
8. Lohri C.R., Diener S., Zabaleta I., Mertenat A., & Zurbrügg C. Treatment technologies for urban solid biowaste to create value products: a review with focus on low- and middle-income settings, Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 2017, 16(1), 81-130. doi:10.1007/s11157-017-9422-5 (дата обращения: 10.07.2020).
9. Ozer B. Biogas Potential of Animal Wastes for Electricity Generation in Ardahan City of Turkey, Causes, Impacts and Solutions to Global Warming, 2013, 697-707. doi:10.1007/978-1-4614-7588-0_36 (data obrashheniya:: 10.07.2020).
10. Romero-Güiza M., Vila J., Mata-Alvarez J., Chimenos J., & Astals S. The role of additives on anaerobic digestion: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 58, 1486-1499. doi:10.1016/j.rser.2015.12.094 (data obrashheniya: 10.07.2020).
11. S. Venkata Mohan, Sunita Varjani, Deepak Pant, Michael Sauer, Jo-Shu Chang,Circular bioeconomy approaches for sustainability, Bioresource Technology, Vol. 318, 2020, 124084. doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124084 (data obrashheniya: 10.07.2020).
12. Semenova E.I., Tkachenko T.L., & Bublienko N.A. Biodegradation of pollutants in the effluents of food industry enterprises, Journal of Water Chemistry and Technology, 2013, 35(2), 86-90. doi:10.3103/s1063455x13020070 (data obrashheniya: 10.07.2020).
13. Silva S., Rodrigues A.C., Ferraz A., & Alonso J. (). An Integrated Approach for Efficient Energy Recovery Production from Livestock and Agro-Industrial Wastes, Waste Biomass Management - A Holistic Approach, 2017, 339366. doi:10.1007/978-3-319-49595-8 15.
