CC BY
15УДК 504.03:[620.95+621.1]
ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СОВМЕСТНОГО ПРИМЕНЕНИЯ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Ковалев А.А., Панченко В.А., Ковалев Д.А.
Аннотация. В статье представлены предпосылки совместного применения биоэнергетических и теплофотоэлектрических установок. Приведены данные о росте поголовья на предприятиях животноводства России. Показано, что наблюдается резкий рост поголовья на предприятиях свиноводства, которые являются объектами негативного воздействия на окружающую среду I категории, а отходы жизнедеятельности свиней относится к III классу опасности. Приведены расходы и характеристика навозных стоков свиноводческих предприятий. Цель работы заключается в эколого-экономической оценке совместного применения биоэнергетических и теплофотоэлектрических установок для получения энергии путем анаэробной биоконверсии органических отходов животноводства. Показано, что биоэнергетический потенциал органических отходов свиноводства составит 50,4 ПДж/год. Предложены способ увеличения эффективности выработки электроэнергии при анаэробной биоконверсии отходов, включающие в себя применение микробной электролизной ячейки с питание от теплофотоэлектрической установки. Показано, что для переработки органических отходов свиноводства РФ с помощью биоэнергетических установок с комплексным применением МЭЯ и теплофотоэлектрических модулей необходимо затратить 65,3 млрд. рублей при ежегодном получении 8,23 млрд. рублей только за счет отпуска электроэнергии с тарифом 6 руб./кВтч.
Ключевые слова: биоэнергетическая установка, биогаз, эффлюент, теплофотоэлектрическая установка, органические отходы свиноводства
Отрицательное воздействие человеческой деятельности на окружающую среду связано не только с возрастающим потреблением природных ресурсов, но и, в большей степени, с образованием жидких и твердых отходов предприятий сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности [1, 2].
По информации, представленной Росстатом, на конец июля 2021 года поголовье крупного рогатого скота в хозяйствах всех сельхозпроизводителей, по расчетам, составляло 18,9 млн голов (на 1,3% меньше по сравнению с соответствующей датой предыдущего года), из него коров - 8 млн (на 1,4% меньше), свиней - 27,5 млн (на 2,4% больше), овец и коз - 23,3 млн голов (на 5,4% меньше). В структуре поголовья скота на хозяйства населения приходилось 40,4% поголовья крупного рогатого скота, 9,3% свиней, 46% овец и коз (на конец июля 2020 года - соответственно 40,9%, 10,3%, 45%). [3]
За 5 лет производство продукции свиноводства в России увеличилось на 39%. Основной прирост обеспечивает промышленный сектор, доля продукции которого в прошлом году составила 88%. [4]
Согласно Федеральному классификационному каталогу отходов, утвержденному приказом Росприроднадзора от 22.05.2017 № 242, к III классу опасности относится навоз свиной свежий и помет птичий свежий, к IV классу опасности - навоз свиней перепревший, помет птичий перепревший, навоз крупного и мелкого рогатого скота свежий, навоз конский свежий, к V классу опасности - навоз крупного и мелкого рогатого скота перепревший, навоз
конский перепревший.
Объекты, на которых осуществляется деятельность по выращиванию и разведению свиней с проектной мощностью 20 тыс. мест и более для свиней массой тела более 30 кг (для объектов, введенных в эксплуатацию до 1 января 2005 г.); с проектной мощностью 42 тыс. мест и более для свиней массой тела более 30 кг (для объектов, введенных в эксплуатацию после 1 января 2005 г.), относятся к объектам негативное воздействие на окружающую среду (HBOC) I категории, к которой относятся объекты, оказывающие значительное HBOC и относящиеся к областям применения наилучших доступных технологий.
В таблицах 1 и 2 приведены усредненные расходы навозных стоков свиноводческих предприятий и характеристика навозных стоков, соответственно.
Таблица 1 - Усредненные расходы навозных стоков свиноводческих предприятий различной производительности
Производительность предприятия, голов/год Расход стоков м3/сут. при различных системах удаления навоза
Самотечная Гидросмывная
Непрерывного действия и секционная Периодического действия Бесканальная Канальная
24000 300 360 450 700
54000 700 800 1000 1400
108000 1400 1600 2000 2800
216000 2800 3200 4000 5600
Таблица 2 - Характеристика навозных стоков свинокомплексов
Показатели Ед. изм. Значение
рН 7,1-8,0
Взвешенные вещества мг/л 8000-39600
Сухое вещество г/л 8-35
ХПК мг/л 7600-40000
БПК полн. мг/л 6400-33600
Общий азот мг/л 1700-4370
Аммонийный азот мг/л 480-1430
Фосфаты мг/л 430-900
Калий мг/л 150-630
Хлориды мг/л 140-600
Сульфаты мг/л 190-220
Мочевина мг/л 1500-7200
Общее число микроорганизмов и колиподобных палочек экз/мл 1015 - 1017
Содержание яиц гельминтов экз/л 100-40000
Как видно из представленных Таблиц 1 и 2 наиболее вредное влияние на окружающую среду оказывают промышленные комплексы, на которых для уборки навоза применяется гидросмыв [5].
Одним из способов снижения вредного влияния органических отходов животноводства на окружающую среду является их анаэробная обработка. Несмотря на положительные эффекты анаэробной обработки навоза в биогазовых реакторах серьезным
тормозом их внедрения в сельское хозяйство России является их относительно низкая энергетическая эффективность при производстве биогаза (до 60% выделившегося биогаза используется установкой для собственных нужд) [6].
Для увеличения эффективности выработки электрической энергии за счет использования анаэробной биоконверсии органических отходов необходимо разработать комплекс технических средств для компенсации собственных нужд биогазовой установки. Одним из способов снижения собственных нужд является использование местных возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в том числе солнечной энергии [7]. При этом в настоящее время в центре внимания находится электрофизическое влияние на процесс разложения органических субстратов, в том числе отходов, с образованием метана. Интересно, что скорость образования метана увеличивается в разы и его концентрация в биогазе повышается до 80 - 90%. [8]
Цель работы заключается в эколого-экономической оценке совместного применения биоэнергетических и теплофотоэлектрических установок для получения энергии путем анаэробной биоконверсии органических отходов животноводства.
Материалы и методы
Для оценки биоэнергетического потенциала использовалась методика, приведенная в
[9].
Количество отходов животноводства оценивалось по формуле
V = 365 •N •Do
где V - объем влажного навоза за год, т/год;
N - популяция животных, тыс.гол.;
D0 - количество влажного помета в день, кг/гол.
Годовой биоэнергетический потенциал отходов животноводства был рассчитан по выходу влажного навоза по формуле:
(100 - W)
Е = V•---LHV
100
где Е - технический биоэнергетический потенциал, ГДж/год;
V - объем влажного навоза за год, т/год;
W - содержание воды во влажном помете для i-го вида животных, %;
LHV - это низшая теплотворная способность навоза ГДж/т.
Значения низшей теплотворной способности приняты согласно справочнику по ресурсам возобновляемых источников энергии России Безруких. [10]
Результаты и обсуждение
Согласно методике, представленной Намсараевым и соавт. [9] биоэнергетический потенциал органических отходов от содержания 27,5 миллионов свиней составит 50,4 ПДж/год.
C целью обеспечения электрической и тепловой энергией биогазовых установок для увеличения выхода биогаза благодаря уменьшению его использования на собственные нужды, предложено использование солнечных теплофотоэлектрических модулей [11, 12] совместно с биогазовой установкой.
В качество строительно-защитного компонента биогазовой установки с функцией тепло- и электрогенерации от солнечной энергии предложена планарная теплофотоэлектрическая кровельная панель [13, 14], в состав которой входят планарные фотоэлектрические преобразователи собственного производства с относительно невысокой
электрической эффективностью, однако в планируемом серийном производстве теплофотоэлектрических планарных кровельных панелей будут использоваться высокоэффективные планарные фотоэлектрические преобразователи (электрическая эффективность 22%) с односторонней контактной сеткой на тыльной стороне фотоэлектрических преобразователей (SunPower или Maxeon), что увеличит и выходную электрическую мощность (до 20 Вт) (таблица 3).
В результате проведённых лабораторных и натурных исследований теплофотоэлектрической паланарной кровельной панели получены основные её характеристики, которые представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Основные параметры образца стационарного теплофотоэлектрического модуля в виде кровельной панели
Длина кровельной панели, мм 434
Ширина кровельной панели, мм 312
Толщина кровельной панели, мм 26
Масса кровельной панели, кг 2,5
Срок номинальной мощности, лет 40 - 50
Тип фотоэлектрических преобразователей Монокристаллические кремниевые
Количество фотоэлектрических 6
преобразователей, шт.
Коммутация фотоэлектрических преобразователей Последовательная
Размер фотоэлектрического преобразователя, 125 х 125
мм
Площадь фотоэлектрического 0,09
преобразователя, м2
Площадь фотоприёмника, м2 0,1
Материал абсорбера Алюминий (медь)
Ток короткого замыкания, А 4,7 (6,2)*
Ток в рабочей точке, А 4,6 (5,8)*
Напряжение холостого хода, В 3,2 (4,1)*
Напряжение в рабочей точке, В 2,5 (3,4)*
Мощность электрическая, Вт 11(20)*
Коэффициент заполнения ВАХ, % 60 (75)*
КПД фотопреобразования, % 13 (20)*
Материал подложки Пластик (вторичный пластик)
Кремнийорганический
Заполнитель-герметик двухкомпонентный полисилоксановый компаунд
Температура эксплуатации панели, °С - 50 ... + 90
Крепление панели 2 самореза в деревянную балку
Теплоизолятор лицевой Воздух (инертные газы)
Теплоизолятор тыльный Воздух (пенопласты, минеральные ваты)
Закалённое стекло с малым
Защитный лицевой материал содержанием оксида железа (optiwhite) толщиной 3 - 4 мм
Класс защиты распределительной коробки 1Р 65
Коннекторы МС4 герметичные
Длина кабеля, мм 40
Сечение кабеля, мм2 4 (6)
Теплоноситель Вода (воздух, фреон)
Количество отверстий для теплоносителя 1 (2) вход, 1 (2) выход
Коммутация магистрали теплоносителя Гидравлические штуцеры
Тепловая магистраль панелей Теплоизоляционные трубопроводы
Объём теплоносителя в радиаторе панели, л 0,3
Расход теплоносителя, л/мин ... 0,1 - 1 ... (регулируемый)
Температура теплоносителя на входе, °С 10 - 30
Температура теплоносителя на выходе, °С 35 - 55
Стоимость панели, тыс. руб. 0,6 - 1
* В скобках указаны электрические значения при использовании фотоэлектрических
преобразователей с односторонней контактной сеткой и электрическим коэффициентом
полезного действия около 20 %, которые планируются использовать в серийном
производстве стационарных теплофотоэлектрических модулей в виде кровельных
панелей
На рисунке 1 представлен опытный образец разработанной планарной теплофотоэлектрической кровельной панели.
Рисунок 1 - Общий вид планарной теплофотоэлектрической кровельной панели.
Вырабатываемая солнечными теплофотоэлектрическими модулями электрическая энергия с постоянным током может быть направлена на питание микробной электролизной ячейки (МЭЯ). При этом экспериментально установлено, что подача разности потенциалов на электроды микробной электролизной ячейки, являющейся средством интенсификации процессов, происходящих в биоэнергетической установке, способна повысить производительность процесса анаэробной биоконверсии в 1,46 раза при напряжении 2,5 В. Таким образом, подача напряжения на электроды МЭЯ возможна непосредственно от теплофотоэлектрических модулей без использования дополнительных преобразователей.
Анаэробно обработанные органические отходы являются органическими удобрениями по ГОСТ 33380-2015 «Удобрения органические. ЭФФЛЮЕНТ» [15]
Капитальные вложения на создание биогазовой установки в составе метантенков, газгольдера и устройств для утилизации биогаза по действующим в настоящее время мировым ценам составляют от 500 до 1000 американских долларов за 1 м метантенка.
При этом по информации ООО «СельхозБиоГаз» [ 16] стоимость поставки «под ключ» одного реактора блочно-модульной конструкции объемом 100 м составляет 5 млн. руб., включая насосы загрузки и перемешивания, водогрейный котел и инженерную обвязку анаэробного биореактора.
Однако в настоящее время фактическое использование органических отходов, потенциально пригодных для производства биогаза, на 2-3 порядка ниже, чем имеющийся потенциал для органических отходов. [17]
Для переработки органических отходов от 27,5 миллионов голов свиней необходимый объем анаэробных биореакторов, построенных по традиционной технологии (аналогично Байцуры), составит 2,75^106 м3. При этом применение МЭЯ в биоэнергетической установке совместно с теплофотоэлектрической установкой при термофильном температурном режиме позволяет не только обеззаразить навоз с получением органических удобрений, но и снизить
3 3
необходимый объем более чем в три раза до 825^10 м за счет ускорения микробиологических и биохимических процессов путем повышения температуры и воздействия постоянным электрическим током.
Согласно полученным экспериментальным данным выход биогаза составляет 2,2
33
м /(м •сут), что эквивалентно 41 ТДж/сут при обработке органических отходов от 27,5 миллионов голов свиней, или 3,76 ГВтч/сут при утилизации биогаза в когенерационной установке с газопоршневым двигателем.
Удельные капитальные вложения на создание биоэнергетической установки с МЭЯ и когенерационной установкой составляют 428 тыс. руб. за кВт производимой электрической мощности, при этом применение теплофотоэлектрических модулей позволяет снизить удельные капитальные вложения на 3-5% до 417 тыс. руб./кВт в зависимости от региона и поступающего солнечного излучения.
Выводы
Таким образом, для переработки органических отходов от содержания 27,5 млн. голов свиней с помощью биоэнергетических установок с комплексным применением МЭЯ и теплофотоэлектрических модулей необходимо затратить 65,3 млрд. рублей при ежегодном получении 8,23 млрд. рублей только за счет отпуска электроэнергии с тарифом 6 руб./кВтч. При этом розничная цена эффлюента, получаемого при анаэробной обработке органических отходов, под различными названиями в среднем составляет 200 рублей за 5 литров.
Список использованных источников:
1. Izmaylov A. Yu., Lobachevskiy Ya. P., Fedotov, A. V., Grigoryev V. S., Tsench Yu. S. Adsorption-Oxidation Technology of Wastewater Recycling in Agroindustrial Complex Enterprises. Vestnik mordovskogo universiteta = Mordovia University Bulletin. 201S;2S(2):207-221. https://doi.org/10.15507/0236-2910.02S.201S02.207-221
2. Artamonov, A.V., Izmailov, A.Yu., Kozhevnikov, Yu.A., Kostyakova, Yu.Yu., Lobachevsky, Ya.P., Pashkin, S.V. & Marchenko, O.S. Effective purification of concentrated organic wastewater from agro-industrial enterprises, problems and methods of solution. AMA, Agricultural Mechanization in Asia, Africa and Latin America. 201S;49:49-53.
3. Интернет-ресурс: https://tass.ru/ekonomika/12274597# Дата обращения:0S.12.2021
4. Интернет-ресурс: https://specagro.ru/news/202111/za-5-let-proizvodstvo-produkcii-svinovodstva-v-rossii-uvelichilos-na-39 Дата обращения:08.12.2021
5. Ковалев, Д. А. Обоснование применения систем анаэробно-аэробной очистки навозных стоков свинокомплексов / Д. А. Ковалев, А. А. Ковалев, Е. И. Азимжанов // Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. - 2016. - № 4(24). - С. 116-119.
6. Ковалев, А. А. Система получения электроэнергии за счет комбинированного использования анаэробной биоконверсии органических отходов агропромышленного
комплекса и солнечной энергии / А. А. Ковалев, В. А. Панченко // Новое в российской электроэнергетике. - 2021. - № 11. - С. 32-38.
7. Осмонов О.М. Научно-технические основы создания автономных биоэнергетических установок для крестьянских хозяйств в горных районах Киргизии: дис. ... докт. техн. наук. Москва, 2012.
8. Choi K.S., Kondaveeti S., Min B. Bioelectrochemical methane (CH4) production in anaerobic digestion at different supplemental voltages // Bioresource Technology. 2017. V. 245. P. 826-832.
9. Namsaraev, Z., Gotovtsev, P., Komova, A., Vasilov, R.G. (2018). Current status and potential of bioenergy in the Russian Federation. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 81. 625-634. 10.1016/j.rser.2017.08.045.
10. Справочник по ресурсам возобновляемых источников энергии России и местным видам топлива/показатели по территориям/ под ред. П.П.Безруких - М., «ИАЦ Энергия», 2007
11. Kharchenko V., Panchenko V., Tikhonov P.V., Vasant P. Cogenerative PV Thermal Modules of Different Design for Autonomous Heat and Electricity Supply // Handbook of Research on Renewable Energy and Electric Resources for Sustainable Rural Development, 2018, pages 86 -119, DOI: 10.4018/978-1-5225-3867-7.ch004.
12. Панченко В.А. Солнечные теплофотоэлектрические модули стационарной и мобильной конструкции // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE), № 31-33, 2020, с. 20-33. https://doi.org/10.15518/isjaee.2020.11.002.
13. V.A. Panchenko. Solar Roof Panels for Electric and Thermal Generation // Applied Solar Energy, 2018, Vol. 54, No. 5, pp. 350-353. DOI: 10.3103/S0003701X18050146. ISSN 0003-701X. Allerton Press, Inc., 2018.
14. Панченко В.А. Моделирование теплофотоэлектрической кровельной панели для энергоснабжения объектов // Строительство и техногенная безопасность, №13(65), 2018, с. 143 - 158.
15. ГОСТ 33380-2015 «Удобрения органические. ЭФФЛЮЕНТ. Технические условия» Дата введения 2017-01-01, М.: Стандартинформ, 2020
16. Интернет-ресурс: https://shbiogaz.ru/ Дата обращения:08.12.2021
17. Namsaraev, Zorigto & Litti, Yu & Nozhevnikova, A. (2018). Analysis of the resource potential of biogas production in the Russian Federation. Journal of Physics: Conference Series. 1111. 012012. 10.1088/1742-6596/1111/1/012012.
Ковалев Андрей Александрович, ст. научный сотрудник, к.т.н., Федеральное государственное бюджетное научноеучреждение"Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ"(ФГБНУ ФНАЦВИМ), 109428, РФ, г. Москва, 1-й Институтский проезд, дом 5 Панченко Владимир Анатольевич, доцент, доцент; ст. научный сотрудник, к.т.н., Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российскийуниверситет транспорта", 127994, ГСП-4, г. Москва, ул
Образцова, д. 9, стр. 9 Федеральное государственное бюджетное научноеучреждение"Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ"(ФГБНУ ФНАЦ ВИМ), 109428, РФ, г. Москва, 1-й
Институтский проезд, дом 5 Ковалев Дмитрий Александрович, вед. научный сотрудник, к.т.н., Федеральное
государственное бюджетное научноеучреждение"Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ"(ФГБНУ ФНАЦ ВИМ), 109428, РФ, г. Москва, 1-й Институтский проезд, дом 5
ECOLOGICAL AND ECONOMIC PREREQUISITES FOR THE JOINT USE OF BIOENERGY
AND THERMAL PHOTOELECTRIC PLANTS
Kovalev A.A., Panchenko V.A., Kovalev D.A.
The article presents the prerequisites for the joint use of bioenergy and thermal photoelectric installations. The data on the growth of the livestock at the animal husbandry enterprises in Russia are presented. It is shown that there is a sharp increase in the number of livestock at pig breeding enterprises, which are objects of negative impact on the environment of the 1st category, and the waste of pigs belongs to the III hazard class. The flow and characteristics of manure from pig breeding enterprises are presented. The aim of the work is the ecological and economic assessment of the joint use of bioenergy and thermal photoelectric plants for energy production by anaerobic bioconversion of organic waste from animal husbandry. It is shown that the bioenergy potential of organic waste from pig breeding is 50.4 PJ / year. A method for increasing the efficiency of power generation during anaerobic bioconversion of waste is proposed, including the use of a microbial electrolysis cell powered by a thermal photoelectric plant. It is shown that for the processing of organic waste of pig breeding in the Russian Federation with the help of bioenergy plants with the integrated use of MEC and thermal photovoltaic plants, it is necessary to spend 65.3 billion rubles with an annual production of 8.23 billion rubles only through the sale of electricity at a rate of 6 rubles / kWh.
Keywords: bioenergy plant, biogas, effluent, thermal photoelectric plant, organic waste from pig breeding
Kovalev Andrey Alexandrovich, Art. Researcher, Ph.D., Federal State Budgetary Scientific Institution "Federal Scientific Agroengineering Center VIM" (FGBNU FNATS VIM), 109428, Russian Federation, Moscow, 1st Institutskiy proezd, building 5 Panchenko Vladimir Anatolyevich, associate professor, associate professor; Art. Researcher, Ph.D., Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education "Russian University of Transport", 127994, GSP-4, Moscow, Obraztsova st., 9, bldg. 9 Federal State Budgetary Scientific Institution "Federal Scientific Agroengineering Center VIM" (FGBNU FNATS VIM), 109428, Russian Federation, Moscow, 1st Institutskiy proezd, building 5 Dmitry Alexandrovich Kovalev, Leading Researcher, Ph.D., Federal State Budgetary Scientific Institution "Federal Scientific Agroengineering Center VIM" (FGBNU FNATS VIM), 109428, Russian Federation, Moscow, 1st Institutskiy proezd, building 5
